JP7407987B2 - Proteomic assay using quantum sensors - Google Patents

Proteomic assay using quantum sensors Download PDF

Info

Publication number
JP7407987B2
JP7407987B2 JP2023017693A JP2023017693A JP7407987B2 JP 7407987 B2 JP7407987 B2 JP 7407987B2 JP 2023017693 A JP2023017693 A JP 2023017693A JP 2023017693 A JP2023017693 A JP 2023017693A JP 7407987 B2 JP7407987 B2 JP 7407987B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
center
label
capture
color center
color
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2023017693A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023071681A (en
Inventor
ポール クリーブランド,ジェイソン
ホルツァー,カロリー
パトリック ジョン ヴァント-ハル,バリー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Somalogic Inc
Original Assignee
Somalogic Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Somalogic Inc filed Critical Somalogic Inc
Publication of JP2023071681A publication Critical patent/JP2023071681A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7407987B2 publication Critical patent/JP7407987B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/68Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54386Analytical elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54313Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
    • G01N33/54326Magnetic particles
    • G01N33/54333Modification of conditions of immunological binding reaction, e.g. use of more than one type of particle, use of chemical agents to improve binding, choice of incubation time or application of magnetic field during binding reaction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/487Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6834Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/78Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/08Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using nuclear magnetic resonance
    • G01N24/088Assessment or manipulation of a chemical or biochemical reaction, e.g. verification whether a chemical reaction occurred or whether a ligand binds to a receptor in drug screening or assessing reaction kinetics
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/10Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using electron paramagnetic resonance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/5308Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for analytes not provided for elsewhere, e.g. nucleic acids, uric acid, worms, mites
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54306Solid-phase reaction mechanisms
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/551Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being inorganic
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/58Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances
    • G01N33/588Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances with semiconductor nanocrystal label, e.g. quantum dots
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/68Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
    • G01N33/6803General methods of protein analysis not limited to specific proteins or families of proteins
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/68Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
    • G01N33/6803General methods of protein analysis not limited to specific proteins or families of proteins
    • G01N33/6842Proteomic analysis of subsets of protein mixtures with reduced complexity, e.g. membrane proteins, phosphoproteins, organelle proteins
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/323Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N2021/6495Miscellaneous methods
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N2021/7769Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7783Transmission, loss
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6489Photoluminescence of semiconductors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2570/00Omics, e.g. proteomics, glycomics or lipidomics; Methods of analysis focusing on the entire complement of classes of biological molecules or subsets thereof, i.e. focusing on proteomes, glycomes or lipidomes

Description

本発明は、プロテオーム解析の最初のステップにおける、血液または尿などの生体液中の数百または数千のタンパク質の同時検出に関する。特に本発明は、当該検出を、質量分析またはクロマトグラフィー的方法を用いることなく達成し、かつ、コンパクトで、安価で、再利用可能である器具の使用を可能にする、ラベルフリーアッセイを使用する。 The present invention relates to the simultaneous detection of hundreds or thousands of proteins in biological fluids such as blood or urine in the first step of proteomic analysis. In particular, the invention uses a label-free assay that achieves such detection without using mass spectrometric or chromatographic methods and allows the use of equipment that is compact, inexpensive, and reusable. .

従来より、遺伝子の活性を評価するための、または疾患のプロセスもしくは薬理作用の生体プロセスを含む生体プロセスを解読するための様々な試みは、遺伝子に焦点を当ててきた。しかしながら、プロテオミクスは、細胞および生物の生体機能についてのさらなる情報を提供し得る。プロテオミクスは、遺伝子レベルよりタンパク質レベルに関する発現を検出および定量化することによる遺伝子活性の定性的および定量的な測定を含む。またプロテオミクスは、タンパク質の翻訳後修飾およびタンパク質間の相互作用などの、遺伝的にコードされていない事象の研究を含む。 Traditionally, various attempts to assess gene activity or to decipher biological processes, including disease processes or pharmacological biological processes, have focused on genes. However, proteomics can provide further information about the biological functions of cells and organisms. Proteomics involves qualitative and quantitative measurements of gene activity by detecting and quantifying expression at the protein level rather than at the gene level. Proteomics also includes the study of non-genetically encoded events, such as post-translational modifications of proteins and interactions between proteins.

現在、大量のゲノム情報を入手することが可能である。DNAチップは、この目的のための分子アレイとして実用的に使用されており、直接的なDNAシーケンスの値段は、著しく減少し続けている。また、高スループットプロテオミクスに関する需要が高まっている。DNAよりも生物学的機能においてより複合的であり可変性であるタンパク質を検出するために、チップが提案されており、これは現在多くのアプリケーションのための集中的な研究の対象である。プロテオミクスは、健康のモニタリングに関してゲノムよりもはるかに好ましく、これはゲノムが静的であり、医学上の可能性のみを表すのに対し、プロテオームは、患者の病態で動的に変動し、さらにはそれらの病態を定義すると言われるからである。しかしながら、タンパク質を検出および定量化することは困難であり、対して核酸を検出および定量化することは、比較的容易である。このことは、タンパク質濃度の代わりにmRNA(メッセンジャーRNA)の濃度を測定する多くの試みを動機づけた。残念なことに、mRNAの濃度は、タンパク質の濃度と良好に相関しないことが示されている。プロテオミクスは、タンパク質を直接検出する技量に必然的に依存すると思われる。 Currently, it is possible to obtain a large amount of genomic information. DNA chips are in practical use as molecular arrays for this purpose, and the cost of direct DNA sequencing continues to decrease significantly. Additionally, demand for high-throughput proteomics is increasing. Chips have been proposed to detect proteins, which are more complex and variable in biological function than DNA, which is currently the subject of intensive research for many applications. Proteomics is much preferred over genomics for health monitoring because the genome is static and represents only medical potential, whereas the proteome fluctuates dynamically with the patient's disease state and even This is because it is said to define those pathologies. However, it is difficult to detect and quantify proteins, whereas it is relatively easy to detect and quantify nucleic acids. This has motivated many attempts to measure mRNA (messenger RNA) concentration instead of protein concentration. Unfortunately, it has been shown that mRNA concentration does not correlate well with protein concentration. Proteomics appears to necessarily depend on the ability to directly detect proteins.

「タンパク質チップ」は、当該タンパク質を捕捉するためのタンパク質または分子(捕捉試薬)がチップの表面に固定され、タンパク質の結合の検出を可能にする、いずれかの装置を指すために使用される集合的な用語である。近年まで、タンパク質チップ上の捕捉試薬は、圧倒的に抗体であった。生体液などの複雑な混合物における特定のタンパク質の検出は、高い特異性を必要とし、よって抗体を利用する多くのタンパク質チップが、特異性をブーストするためのサンドイッチアッセイにも依存する。このようなアッセイは、プロテオミクスにとって重要な欠点を有することが知られており、そのうちのいくつかは、タンパク質および/または抗体に特異的であり、そのうちのいくつかは、サンドイッチアッセイに特異的である。 "Protein chip" is a collection used to refer to any device in which a protein or molecule for capturing the protein of interest (capture reagent) is immobilized on the surface of the chip, allowing detection of protein binding. This is a typical term. Until recently, capture reagents on protein chips were overwhelmingly antibodies. Detection of specific proteins in complex mixtures such as biological fluids requires high specificity, so many protein chips that utilize antibodies also rely on sandwich assays to boost specificity. Such assays are known to have important drawbacks for proteomics, some of which are specific to proteins and/or antibodies, some of which are specific to sandwich assays. .

現在、プロテオミクスのデータを定期的にヒトの対象から集めることが可能な経済的に実行可能な手段は存在しない。サンプルのプロテオミクスの測定は通常、検出および定量化のため様々な質量分析技術と組み合わせたサンプル調製のための様々なクロマトグラフィー技術によって達成される。これらの手法に使用される器具は、高価であり大きく、よって、サンプルは通常、中央処理施設に発送されなければならない。サンプルを輸送する必要性は、サンプルが、発送の間の保管のために収集時に処理されるか、または輸送が可能となるまでその場で保存されることを必要とする。残念なことに、調製および保管のプロトコルは、場所により、さらには同じ場所の中であっても幅広く変動する傾向がある。これらのプロトコルにおける差異は常に、プロテオミクス測定の下流に有意な変動をもたらし、分析を困難または不可能にする。 Currently, there are no economically viable means by which proteomics data can be routinely collected from human subjects. Measurement of the proteomics of a sample is typically accomplished by various chromatographic techniques for sample preparation combined with various mass spectrometry techniques for detection and quantification. The equipment used in these techniques is expensive and large, so samples typically must be shipped to a central processing facility. The need to transport samples requires that the samples be processed at the time of collection for storage during shipping or stored in situ until transport is possible. Unfortunately, preparation and storage protocols tend to vary widely from location to location, and even within the same location. Differences in these protocols always result in significant variations downstream of proteomic measurements, making analysis difficult or impossible.

理想的なプロテオミクス収集装置は、完全に固体の状態での作業(移動部分がほとんどない)に近づき、試薬の使用が最小限であるようにラベルフリーの検出技術を利用することにより、費用を最小限にし、無限の測定のため再利用可能であり、かつ少量の生体液で作動する。サンプルの調製および保管プロトコルの変動によるサンプル解析の変動は、サンプル調製を最小限にするかまたは排除することにより、および所定の場所および時間および収集でサンプル測定を行い、サンプルの保管および輸送を排除することにより、低減され得る。 The ideal proteomics collection device would minimize costs by approaching fully solid-state operation (few moving parts) and utilizing label-free detection techniques such that reagent usage is minimal. limited, reusable for unlimited measurements, and operates with a small amount of biological fluid. Variations in sample analysis due to variations in sample preparation and storage protocols can be avoided by minimizing or eliminating sample preparation and performing sample measurements at predetermined locations and times and collections, eliminating sample storage and transportation. can be reduced by doing so.

新規分類の、非タンパク質ベースの捕捉試薬が、核酸分子で見出されている。長年にわたる定説は、核酸は第1に情報的な役割を有するということであった。場合によりSELEXプロセスとも称されるSELEX(Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment)として知られる方法を介して、核酸が、タンパク質とそれほど異なるものではない3次元構造的多様性を有することが明らかとなっている。SELEXプロセスは、標的分子に非常に特異的に結合する核酸分子のin vitro進化のための方法であって、それぞれが本開示に参照により組み込まれている、1990年6月11日に出願の、表題「Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment,の米国特許仮出願番号第07/536,428号、現在は放棄されている米国特許第5,475,096号(表題”Nucleic Acid Ligands”)、米国特許第5,270,163号(同様に国際特許公開公報第91/19813号参照)(表題「Nucleic Acid Ligands」)に記載されている。これらの各公開公報は、集合的に、本明細書中でSELEX特許出願と称され、いずれかの望ましい標的分子に対する核酸捕捉試薬を作製するための方法を記載する。 A new class of non-protein-based capture reagents has been found with nucleic acid molecules. A long-standing theory has been that nucleic acids have a primarily informational role. Through a method known as SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment), sometimes referred to as the SELEX process, it has been revealed that nucleic acids have three-dimensional structural diversity that is not significantly different from proteins. There is. The SELEX process is a method for the in vitro evolution of nucleic acid molecules that bind with high specificity to a target molecule, and is a method for the in vitro evolution of nucleic acid molecules that bind with high specificity to target molecules; U.S. Provisional Application No. 07/536,428 entitled "Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment," now abandoned U.S. Patent No. 5,475,096 (titled "Nucleic Acid Ligands") , US patent No. 5,270,163 (also see International Patent Publication No. 91/19813) (titled "Nucleic Acid Ligands"). Each of these publications, collectively referred to herein as a SELEX patent application, describes methods for making nucleic acid capture reagents for any desired target molecule.

SELEXプロセスは、核酸リガンドまたはアプタマーと称されるクラスの生成物を提供し、生成物はそれぞれが固有の配列を有し、望ましい標的化合物または分子に特異的に結合する性質を有する。SELEXにより同定される核酸捕捉試薬はそれぞれ、所定の標的の化合物または分子の特異的なリガンドである。SELEXプロセスは、核酸が、モノマーまたはポリマーであるかにかかわらず、実質的に任意の化学化合物とリガンドとして作用する(特異的な結合対を形成する)ためにそれらのモノマー内で利用可能な、様々な二次元および三次元の構造を形成するために十分な特質ならびに十分な化学的多用途性を有するという固有の知見に基づく。任意の大きさまたは組成の分子が標的として作用し得る。 The SELEX process provides a class of products called nucleic acid ligands or aptamers, each of which has a unique sequence and the property of binding specifically to a desired target compound or molecule. Each nucleic acid capture reagent identified by SELEX is a specific ligand for a given target compound or molecule. The SELEX process allows nucleic acids, whether monomers or polymers, to be used within their monomers to act as ligands (form specific binding pairs) with virtually any chemical compound. It is based on the unique knowledge that it has sufficient properties and sufficient chemical versatility to form a variety of two-dimensional and three-dimensional structures. Molecules of any size or composition can act as targets.

高親和性結合の適用に適したSELEX法は、結合親和性および選択性の実質的に任意の望ましい基準を達成するために、同じ一般的な選択スキームを使用する、候補のオリゴヌクレオチドの混合物からの選択、ならびに結合、分離、および増幅の段階的な繰り返しを含む。核酸、好ましくは無作為化された配列のセグメントを含む核酸の混合物から開始して、SELEX法は、結合に好ましい条件下で標的と混合物を接触させるステップと、標的分子に特異的に結合している核酸から結合していない核酸を分離するステップと、核酸-標的複合体を解離するステップと、核酸-標的複合体から解離した核酸を増幅してリガンドを多く含む核酸の混合物を生じた後、必要に応じたサイクルを通じて結合するステップ、分離するステップ、解離するステップ、および増幅させるステップを繰り返して、標的分子に対して著しく特異的な高親和性の核酸リガンドを生じるステップとを含む。 The SELEX method, which is suitable for high-affinity binding applications, uses the same general selection scheme to achieve virtually any desired criteria of binding affinity and selectivity from a mixture of candidate oligonucleotides. selection and stepwise iterations of binding, separation, and amplification. Starting with a nucleic acid, preferably a mixture of nucleic acids containing segments of randomized sequence, the SELEX method involves the steps of contacting the mixture with a target under conditions favorable for binding and binding specifically to the target molecule. separating unbound nucleic acids from the nucleic acids present, dissociating the nucleic acid-target complexes, and amplifying the dissociated nucleic acids from the nucleic acid-target complexes to yield a mixture of ligand-enriched nucleic acids; repeating the steps of binding, separating, dissociating, and amplifying through as many cycles as necessary to produce a high affinity nucleic acid ligand that is highly specific for the target molecule.

SOMAmer(Slow Off-rate Modified Aptamers)は、解離(off-rate)の特徴が改善されたアプタマーである。この解離の特徴の改善は、解離速度(t1/2)またはアプタマー/標的複合体の50%が解離された時点として表され得る。このような解離速度は、一般的に、5、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180、200、220、および240分超から変動し得、これは、タンパク質-アプタマー複合体が解離する平均時間である。さらにSOMAmerは、異なる一体型の(built-in)官能性を提供する修飾されたヌクレオシドを含む。これらの官能性は、固定化のためのタグ、検出のためのラベル、分離を促進または制御するための手段、タンパク質との良好な親和性を提供するための疎水性側鎖などを含み得る。タンパク質との親和性を改善するための修飾は、ピリミジン塩基の5位に結合される化学基である。5位を官能基付与することにより(たとえばベンジル基、ナフチル基、またはインドール基で)、SOMAmerの化学的な多様性が拡大し、より幅広い範囲の標的分子との高親和性結合を可能にする。さらに、いくつかのポリメラーゼは、これらの位置の修飾を伴うDNAをさらに転写でき、よって、SELEXプロセスに必要な増幅を可能にする。SOMAmerおよびこれらを作製するための方法は、それぞれが本開示に参照により本明細書中組み込まれる、米国特許第7,964,356号および同第7,947,447号(両表題は「Method for generating aptamers with improved off-rates」に)記載されている。 SOMAmers (Slow Off-rate Modified Aptamers) are aptamers with improved off-rate characteristics. This improvement in dissociation characteristics can be expressed as the dissociation rate (t 1/2 ) or the point at which 50% of the aptamer/target complex is dissociated. Such dissociation rates are generally 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 220, and 240 minutes. This is the average time for a protein-aptamer complex to dissociate. Additionally, SOMAmers contain modified nucleosides that provide different built-in functionalities. These functionalities can include tags for immobilization, labels for detection, means to facilitate or control separation, hydrophobic side chains to provide good affinity with proteins, and the like. A modification to improve affinity with proteins is a chemical group attached to the 5-position of the pyrimidine base. Functionalization of the 5-position (e.g., with a benzyl, naphthyl, or indole group) expands the chemical versatility of SOMAmer, allowing high-affinity binding to a broader range of target molecules. . Additionally, some polymerases can further transcribe DNA with modifications at these positions, thus allowing the amplification required for the SELEX process. SOMAmers and methods for making them are described in U.S. Pat. generating aptamers with improved off-rates).

アプタマーおよびSOMAmerは、SELEXプロセスにより発見され得るが、これらを選択するための他の手段が存在し得ることに留意されたい。たとえば、分子的相互作用のコンピュータモデリングが向上しているため、アプタマーに関し理想的な核酸配列およびSOMAmerに関し関連する化学的修飾を直接計算して所定の標的分子に特異的な捕捉試薬を作製することが可能になり得る。SELEX以外のアプタマーおよびSOMAmerをスクリーニングするための他の化学的技術もまた可能である。 Note that while aptamers and SOMAmers can be discovered by the SELEX process, other means for selecting them may exist. For example, as computational modeling of molecular interactions improves, ideal nucleic acid sequences for aptamers and relevant chemical modifications for SOMAmers can be directly calculated to create capture reagents specific for a given target molecule. may become possible. Other chemical techniques for screening aptamers and SOMAmers other than SELEX are also possible.

生体サンプルおよび他のサンプル中の生理的に重要な分子の検出および定量化を目的とするアッセイは、科学的研究およびヘルスケアの分野において重要なツールである。このようなアッセイの他のクラスは、固体の担体に固定された1つ以上のアプタマーを含むマイクロアレイの使用を含む。これらのアプタマーはそれぞれ、特異性の高い様式でおよび非常に高い親和性にて標的分子にそれぞれ結合できる。たとえば、米国特許第5,475,096号(表題「Nucleic Acid Ligands」)、同様に同第6,242,246号、同第6,458,543号、および同第6,503,71号(それぞれ表題が「Nucleic Acid Ligand Diagnostic Biochip」である)を参照されたい。これらの特許は、本開示に参照によって本明細書に組み込まれている。マイクロアレイがサンプルと接触されると、アプタマーは、サンプルに存在する各標的分子に結合し、これによりサンプル中の標的分子の非存在、存在、量、および/または濃度を決定できる。 Assays aimed at the detection and quantification of physiologically important molecules in biological and other samples are important tools in the fields of scientific research and healthcare. Another class of such assays involves the use of microarrays containing one or more aptamers immobilized on a solid support. Each of these aptamers can each bind to a target molecule in a highly specific manner and with very high affinity. See, for example, U.S. Pat. (each entitled "Nucleic Acid Ligand Diagnostic Biochip"). These patents are herein incorporated by reference into this disclosure. When the microarray is contacted with a sample, the aptamers bind to each target molecule present in the sample, allowing the absence, presence, amount, and/or concentration of the target molecule in the sample to be determined.

ラベルフリーのアッセイは、非常に望ましいと考えられているが、常に達成できるわけではない。ラベルは、分子の存在または活性を検出するために目的の分子に化学的または一時的に付着される任意の外来性分子である。ラベルフリーのアッセイは、分子の存在または活性をモニタリングするために、分子量、分子の電荷、比誘電率、または(本発明の場合では)アプタマーに対する親和性などの分子の生物物理的な性質を利用する。本発明のいくつかの実施形態は、表面に付着したアプタマーに関連するスピンラベルを利用する。このスピンラベルは、目的の分子(たとえばタンパク質)とは反対に検出系の成分(たとえばアプタマー)に付着されるため、本発明は、ラベルフリーアッセイとみなされる。多くの感受性の高いアッセイは、分析物が検出可能なタグで「ラベル」されることを必要とする。このタグまたはラベルは、色素、放射性同位体、または容易に測定される他のいずれかのものであり得、これによって代理で分析物を測定し得る。 Although label-free assays are considered highly desirable, they are not always achievable. A label is any exogenous molecule that is chemically or temporarily attached to a molecule of interest in order to detect the presence or activity of the molecule. Label-free assays utilize biophysical properties of molecules, such as molecular weight, molecular charge, dielectric constant, or (in the case of the present invention) affinity for aptamers, to monitor the presence or activity of molecules. do. Some embodiments of the invention utilize spin labels associated with aptamers attached to surfaces. Because this spin label is attached to a component of the detection system (eg, an aptamer) as opposed to a molecule of interest (eg, a protein), the present invention is considered a label-free assay. Many sensitive assays require that the analyte be "labeled" with a detectable tag. The tag or label can be a dye, a radioisotope, or anything else that is easily measured, by which the analyte can be measured by proxy.

ELISAアッセイ(酵素結合免疫吸着測定法)は、その高い感受性および特異性のためイムノアッセイの「絶対的基準」とみなされているが、ラベルフリーとはみなされない。ELISAは、分析物上の異なる結合点(エピトープ)に特異的な2つの抗体を使用し、ラベルフリーとは反対に「サンドイッチアッセイ」である。抗体の1つは表面に固定され、サンプル液由来の分析物を捕捉する。第2の抗体は、特定の添加剤中の検出可能な変化を触媒する酵素に連結される。分析物が固定した抗体によって捕捉された後、この表面を洗浄して望ましくない分子を除去し、第2の抗体を添加した後、洗浄を行い、通常は検出可能な色素へと触媒される添加剤を添加する。第2の抗体は、特異性および検出可能性を付与するが、それはまた費用の高い試薬を含むいくつかのステップをも必要とする。このアッセイのラベルフリーな形態は、第1の抗体、および分析物の結合を検出するいくつかの手段のみから構成される。 Although ELISA assays (enzyme-linked immunosorbent assays) are considered the "gold standard" for immunoassays due to their high sensitivity and specificity, they are not considered label-free. ELISA uses two antibodies specific for different binding points (epitopes) on the analyte and is a "sandwich assay" as opposed to label-free. One of the antibodies is immobilized on the surface and captures the analyte from the sample fluid. The second antibody is linked to an enzyme that catalyzes a detectable change in the specific additive. After the analyte is captured by the immobilized antibody, this surface is washed to remove undesired molecules, and a second antibody is added, followed by washing and usually catalyzed addition to a detectable dye. Add agent. Although a second antibody confers specificity and detectability, it also requires several steps involving expensive reagents. The label-free form of this assay consists only of a first antibody and some means of detecting analyte binding.

タンパク質チップを含むバイオチップは、他の分子を無視しつつ、サンプル中の特異的な分析物を検出する手段を必要とする。本技術により記載される検出装置および方法は、光検出磁気共鳴(ODMR)または他の技術を介してプローブされ得る固体の表面の近くに位置する色中心に基づく。色中心は、はダイヤモンド、炭化ケイ素、またはシリカなどの理想的な透明の結晶性の絶縁体または大きなバンドギャップの半導体に近い点欠陥である。これらは、結晶中の原子が別の種類の原子により置き換えられている置換欠陥、原子が存在していない空孔欠陥、またはこの2つの組み合わせからなり得る。 Biochips, including protein chips, require a means to detect specific analytes in a sample while ignoring other molecules. The detection devices and methods described by the present technology are based on color centers located near the surface of a solid that can be probed via optical detection magnetic resonance (ODMR) or other techniques. Color centers are point defects near ideal transparent crystalline insulators or large bandgap semiconductors such as diamond, silicon carbide, or silica. These may consist of substitution defects, where an atom in the crystal is replaced by an atom of another type, vacancy defects, where no atom is present, or a combination of the two.

色中心は、遊離原子に類似している局在化された電子軌道を有する。この電子状態は、主量子数、軌道量子数および磁気量子数の観点から順序付けられており、荷電されるか、中性であるか、またはその両方である場合に安定であり得る。色中心を囲む幅広いバンドギャップまたは絶縁性の結晶は、色中心を分離する「真空(vacuum)」の役割を果たす。十分に低い密度では、これは、長い緩和時間を有する電子/核のスピン状態と共存する可視域で離散する光学的な遷移を伴う(よって「色中心」と称される)、豊富で良好に分割される複合エネルギースペクトラムを有する独立した「原子様」の実体をもたらす。 Color centers have localized electron orbitals that resemble free atoms. The electronic states are ordered in terms of principal, orbital and magnetic quantum numbers and can be stable if they are charged, neutral, or both. A wide bandgap or insulating crystal surrounding the color center acts as a "vacuum" separating the color center. At sufficiently low densities, this is an abundant and well-organized system with discrete optical transitions in the visible range (hence the term ``color centers'') that coexist with electron/nuclear spin states that have long relaxation times. yielding independent "atomic-like" entities with complex energy spectra that are split up.

特に興味深いのは、その蛍光強度がスピンの分極状態(すなわち基底状態の磁気量子数)に依存する色中心である。この場合、磁気の下位レベルの集合が蛍光強度に反映され、磁気共鳴の光学的な検出を可能にする。ODMRは本質的に、磁気の下位レベルの遷移による無線周波数(RF)またはマイクロ波周波数の検出物をはるかに高いエネルギー光子の検出に変換するため、それは感度において(約5桁の大きさ)および強い蛍光に関して明らかな利点を有し、個別の色中心の光学的な観察を可能にする。 Of particular interest are color centers whose fluorescence intensity depends on the spin polarization state (i.e., the ground state magnetic quantum number). In this case, the collection of magnetic sublevels is reflected in the fluorescence intensity, allowing optical detection of magnetic resonance. Since ODMR essentially converts radio frequency (RF) or microwave frequency detectables due to magnetic lower level transitions into the detection of much higher energy photons, it is superior in sensitivity (about 5 orders of magnitude) and It has clear advantages in terms of strong fluorescence, allowing optical observation of individual color centers.

このようなODMRが可能な色中心の例は、ダイヤモンド結晶における窒素-空孔(NV)である。本発明に記載される好ましい実施形態は、検出のためダイヤモンド中のNV中心を利用するが、本発明は他の色中心も使用できる。ダイヤモンド自体は、500を超える既知の色中心を有し、大部分は窒素に関連している。ダイヤモンド格子中の可能性のある置換として知られている他の元素としては、ニッケル、ホウ素、ケイ素、水素、およびコバルトが挙げられる。他の結晶格子中の色中心としては、たとえば、ゲルマノケイ酸塩ガラス中のゲルマニウム関連の欠陥、炭化ケイ素中のケイ素の欠陥、およびLiBaF結晶中のX線により誘導される欠陥が挙げられる。 An example of a color center capable of such ODMR is the nitrogen-vacancy (NV) in a diamond crystal. Although the preferred embodiment described in this invention utilizes NV centers in diamond for detection, the invention can also use other color centers. Diamond itself has over 500 known color centers, the majority related to nitrogen. Other elements known for possible substitution in the diamond lattice include nickel, boron, silicon, hydrogen, and cobalt. Color centers in other crystal lattices include, for example, germanium-related defects in germanosilicate glasses, silicon defects in silicon carbide, and X-ray induced defects in LiBaF3 crystals.

名称が暗示するように、NV中心は、格子中の隣接する空孔の隣に位置する炭素原子に対する窒素置換からなる。これは図1に示され、それはダイヤモンド結晶の概略図であり、一般に100で示され、104で示されるNV中心を含む。NV中心は、その電子のスピン状態と光学状態の間の固有のカップリングを伴う常磁性色中心である。これは、強く安定な蛍光(すなわち短い寿命の励起状態と組み合わされた大きな吸収係数)を発することができ、非常に長い磁気緩和時間も呈し、磁場または電場などの局所的な性質の感度のある検出器となる。ダイヤモンド自体は、機械的、熱的、および化学的に非常に安定である。同時に、ダイヤモンドの表面は、化学的修飾に適しており、これは分子学的作用物質を結合するために有用である。純粋なダイヤモンドは、光学的に透明であり、蛍光中心の自由な励起および放出を可能にし、この蛍光はまた、光退色を呈さず、および最小のルミネッセンス間欠性(「点滅(blinking)」を呈する。これらのすべての性質の組み合わせにより、NV中心は、非常に感度の高いバイオセンシングのための良好な候補となる。 As the name suggests, NV centers consist of nitrogen substitutions for carbon atoms located next to adjacent vacancies in the lattice. This is illustrated in FIG. 1, which is a schematic diagram of a diamond crystal, indicated generally at 100 and including an NV center indicated at 104. NV centers are paramagnetic color centers with an inherent coupling between their electronic spin states and optical states. It can emit strong and stable fluorescence (i.e. large absorption coefficient combined with short-lived excited states), also exhibits very long magnetic relaxation times, and is sensitive to local properties such as magnetic or electric fields. It becomes a detector. Diamond itself is extremely stable mechanically, thermally, and chemically. At the same time, the diamond surface is suitable for chemical modification, which is useful for binding molecular agents. Pure diamond is optically transparent, allowing free excitation and emission of fluorescent centers; this fluorescence also exhibits no photobleaching and minimal luminescence intermittency (“blinking”). The combination of all these properties makes NV centers good candidates for highly sensitive biosensing.

本開示は、表面に付着された捕捉試薬に標的分子が結合する際に、基板の表面近くに配置される1つ以上の色センサーの性質における変化に基づき、サンプルにおける標的分子を検出するための装置、システム、および方法を記載する。検出器は、色中心の性質における変化を検出することにより、サンプル中の標的分子を検出するように構成され得る。場合により、標的分子はタンパク質であり、捕捉試薬はアプタマーである。場合により、色中心は、ダイヤモンド中に配置されたNV中心であり、性質の変化は、蛍光放射の変化である。場合により、多数の、たとえば数百、数千、数万、またはさらにはそれより多いタンパク質種が、1つのアッセイで標的化され得る。 The present disclosure provides methods for detecting target molecules in a sample based on changes in the properties of one or more color sensors placed near the surface of a substrate upon binding of the target molecules to a capture reagent attached to the surface. Apparatus, systems, and methods are described. The detector may be configured to detect target molecules in the sample by detecting changes in the properties of the color center. Optionally, the target molecule is a protein and the capture reagent is an aptamer. In some cases, the color center is a NV center located in the diamond and the change in property is a change in fluorescence emission. In some cases, large numbers, eg, hundreds, thousands, tens of thousands, or even more, of protein species can be targeted in one assay.

本技術は、ダイヤモンド表面などの表面上でのアプタマーまたはSOMAmerの付着、および望ましくないタンパク質による非特異的な結合に対するアプタマーまたはSOMAmerと結合しない表面の領域のパッシベーションに関与する。また本技術は、さらなる数ラウンドのタンパク質検出のための、表面に付着されるアプタマーまたはSOMAmerの再生に関与する。 The technology involves attachment of an aptamer or SOMAmer on a surface, such as a diamond surface, and passivation of areas of the surface that do not bind the aptamer or SOMAmer against non-specific binding by unwanted proteins. The technology also involves the regeneration of surface-attached aptamers or SOMAmers for several additional rounds of protein detection.

本技術は、バイオチップの活性表面への多量の流体の送達に関連するものを除き全ての移動部分を排除することを目的とする。これらの流体は、サンプル液、洗浄液、およびバイオチップの再生のために使用される流体を含む。提案される検出のためのスキームは、ラベルフリーの方法であり、目的のタンパク質の測定を可能にするためにサンプルに検出剤が添加される必要のないことを意味する。活性表面の再生は、非破壊的であり、アプタマーまたはSOMAmerからタンパク質を解離するための軽度のバッファーウォッシュのみを必要とする。NV中心は極めて安定であり、アプタマーおよびSOMAmer自体は非常に安定であり、数百回の使用が可能である。 This technique aims to eliminate all moving parts except those related to the delivery of bulk fluids to the active surface of the biochip. These fluids include sample fluids, wash fluids, and fluids used for biochip regeneration. The proposed scheme for detection is a label-free method, meaning that no detection agent needs to be added to the sample to enable measurement of the protein of interest. Regeneration of the active surface is non-destructive and requires only mild buffer washes to dissociate proteins from aptamers or SOMAmers. The NV center is extremely stable and the aptamer and SOMAmer itself are extremely stable and can be used hundreds of times.

より具体的には、サンプル液が活性表面と接触した後、タンパク質を、固定されたアプタマーと結合させるためにいくらかの時間が必要である。この結合時間はまた、タンパク質がバルク液から表面へ拡散するために必要な時間を含み、これは数時間かかり得る。この結合時間の間、サンプル液は静的であり得るが、未結合のタンパク質を表面に近づけるために流体を撹拌または再循環し、それにより拡散する必要がある距離を減らすことがより一般的である。結合ステップが完了した後に、未結合のタンパク質を除去するために表面を洗浄することが一般的である。この洗浄は一般に、リン酸緩衝液などの、サンプル液と類似するバッファー溶液、または蒸留水を用いて行われる。特異性の高い検出が必要とされる場合、洗浄は、高い塩濃度、低濃度(<1M)の尿素などの軽度の変性剤を使用するか、または目的のタンパク質に対する競合剤を含むことにより、より強化され得る。このような競合剤は、たとえばタンパク質と競合するアルブミン、または核酸と競合するヘパリンが、一般的であり得る。様々なバルク形態の核酸、たとえばサケの精子のDNA、またはバルクで合成されたランダムDNAもまた使用され得る。競合相手もまた特有であってよく、たとえば、目的のタンパク質に類似のタンパク質、またはヒトタンパク質と競合する非ヒトのタンパク質の使用がある。結合に関して、洗浄液は静的であり得るかまたは撹拌されてよく、表面からバルク液中への拡散のためにいくらかの時間が必要である。 More specifically, after the sample liquid contacts the active surface, some time is required for the proteins to bind to the immobilized aptamer. This binding time also includes the time required for the protein to diffuse from the bulk liquid to the surface, which can take several hours. During this binding time, the sample fluid can be static, but it is more common to agitate or recirculate the fluid to bring unbound proteins closer to the surface, thereby reducing the distance they need to spread. be. After the binding step is completed, it is common to wash the surface to remove unbound protein. This washing is generally performed using a buffer solution similar to the sample liquid, such as phosphate buffer, or distilled water. If highly specific detection is required, washing can be performed by using high salt concentrations, mild denaturing agents such as low concentrations (<1 M) of urea, or by including competitive agents for the protein of interest. It can be further strengthened. Such competitive agents may be common, for example albumin, which competes with proteins, or heparin, which competes with nucleic acids. Nucleic acids in various bulk forms can also be used, such as salmon sperm DNA, or random DNA synthesized in bulk. Competitors may also be unique, eg, the use of proteins similar to the protein of interest, or non-human proteins that compete with the human protein. Regarding binding, the wash liquid may be static or agitated, requiring some time for diffusion from the surface into the bulk liquid.

本技術は、たとえば試験対象のトイレの中といった収集場所でアッセイおよび解析を行うことによりサンプル解析におけるほとんどの不一致を排除する。収集容器(すなわちトイレ)内の新鮮な尿をアッセイおよび解析することは、関連する不一致に加え、サンプルを保存および輸送する必要性を排除する。 This technology eliminates most discrepancies in sample analysis by performing the assay and analysis at the point of collection, such as inside the toilet being tested. Assaying and analyzing fresh urine in a collection container (i.e., toilet) eliminates the need to store and transport samples, as well as the associated inconsistency.

消費者のレベルで規定のプロテオミクスを安価に行うこの能力は、科学およびヘルスケアに深い影響を与えるであろう。プロテオミクス科学は、意味のある解析に必要な多数の質の良いサンプルの単純な欠如のため、その可能性に大きく後れを取っている。本技術は、このようなサンプルの収集および解析の両方を著しく容易にする。良好なプロテオミクス科学は、良好な医療の診断予測をもたらす。しかしながら、このような診断予測は、患者由来のサンプル収集および分析が容易でない場合、ヘルスケアにおいてほとんど実用的でない。よって、良好なプロテオミクス科学を提供し、本技術はまた、ヘルスケア科学での容易な使用を提供するであろう。 This ability to perform routine proteomics inexpensively at the consumer level will have profound implications for science and healthcare. Proteomics science is lagging far behind its potential due to the simple lack of large numbers of good quality samples required for meaningful analysis. The present technology significantly facilitates both the collection and analysis of such samples. Good proteomics science yields good medical diagnostic predictions. However, such diagnostic predictions are of little practical use in health care if patient-derived samples are not easily collected and analyzed. Thus, providing good proteomics science, this technology will also provide easy use in healthcare science.

本技術に係るシステムおよび方法の様々な他の性質は、本開示に記載されている。性質、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において独立して達成され得るか、またはさらなる他の実施形態で組み合わせられてよく、このさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照して理解できる。 Various other features of systems and methods according to the present technology are described in this disclosure. The properties, features, and advantages may be achieved independently in various embodiments of the present disclosure or may be combined in further other embodiments, further details of which may be found with reference to the following description and drawings. It can be understood.

図1は、ダイヤモンド中の窒素-空孔中心を表す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing nitrogen-vacancy centers in diamond. 図2は、本技術の態様に係る標的分子検出の略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of target molecule detection according to aspects of the present technology. 図3Aは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するために使用され得る相互作用機構の略図である。FIG. 3A is a schematic illustration of an interaction mechanism that may be used to detect target molecules, according to aspects of the present technology. 図3Bは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するために使用され得る別の相互作用機構の略図である。FIG. 3B is a schematic illustration of another interaction mechanism that may be used to detect target molecules, according to aspects of the present technology. 図4は、本技術の態様に係る、ダイヤモンド窒素空孔(NV)中心での電子エネルギーレベル、およびこれらのレベル間の遷移の略図である。FIG. 4 is a schematic illustration of electron energy levels at diamond nitrogen vacancy (NV) centers and transitions between these levels, in accordance with aspects of the present technology. 図5は、本技術の態様に係る、NV中心の例示的な光の吸収および放出スペクトルを表す。FIG. 5 depicts exemplary optical absorption and emission spectra of NV centers in accordance with aspects of the present technology. 図6は、本技術の態様に係る、NV中心の光学的な読み取りおよびスピン偏極の略図である。FIG. 6 is a schematic illustration of optical readout and spin polarization of an NV center in accordance with aspects of the present technology. 図7Aは、本技術の態様に係る、NV中心に関連する励起および放出のパルスの略図である。FIG. 7A is a schematic illustration of excitation and emission pulses associated with an NV center, according to aspects of the present technology. 図7Bは、本技術の態様に係る、結合した標的分子の非存在下および存在下での時間の関数として強度を比較する、NV中心の放出強度のグラフ表示である。FIG. 7B is a graphical representation of NV-centered emission intensity comparing intensity as a function of time in the absence and presence of bound target molecules, according to embodiments of the present technology. 図8Aは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置の第1の例示的な構成を表す。FIG. 8A depicts a first exemplary configuration of an apparatus for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. 図8Bは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置の別の例示的な構成を表す。FIG. 8B depicts another exemplary configuration of an apparatus for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. 図8Cは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置のさらなる別の例示的な構成を表す。FIG. 8C depicts yet another exemplary configuration of a device for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. 図8Dは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置のさらなる別の例示的な構成を表す。FIG. 8D depicts yet another exemplary configuration of an apparatus for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. 図9は、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置のさらなる別の例示的な構成を表す。FIG. 9 depicts yet another exemplary configuration of an apparatus for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. 図10は、本技術の態様に係る、標的分子を検出する方法における例示的なステップを表すフローチャートである。FIG. 10 is a flowchart depicting exemplary steps in a method of detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. 図11は、本技術の態様に係る、標的分子を検出する別の方法における例示的なステップを表すフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart depicting exemplary steps in another method of detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. 図12は、本技術の態様に係る、標的分子を検出するさらなる別の方法における例示的なステップを表すフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart depicting exemplary steps in yet another method of detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. 図13は、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置を製造する方法における例示的なステップを表すフローチャートである。FIG. 13 is a flowchart depicting exemplary steps in a method of manufacturing a device for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology.

図1は、ダイヤモンド中の窒素-空孔中心を表す模式図である。その純粋な形態において、ダイヤモンド結晶100は、炭素原子101のみからなる。窒素原子102がダイヤモンド結晶中の炭素原子と置き換わり、結晶中の空孔103に隣接して配置される場合、窒素-空孔中心104が作製される。 FIG. 1 is a schematic diagram showing nitrogen-vacancy centers in diamond. In its pure form, diamond crystal 100 consists only of carbon atoms 101. When nitrogen atoms 102 replace carbon atoms in the diamond crystal and are placed adjacent to vacancies 103 in the crystal, nitrogen-vacancy centers 104 are created.

図1でわかるように、各炭素は4つの同一の結合パートナーを有するため、どのように空孔が窒素置換に関連して配置されるかに応じてNV中心の軸が位置し得る4つの結晶学的な方向が存在する。これらは、

Figure 0007407987000001
の方向である。さらに、いずれかの所定の方向において、窒素置換および空孔のオーダーは反転し得、よって、実際には8つの固有のNV中心の構成が存在する。 As can be seen in Figure 1, each carbon has four identical binding partners, so there are four crystals in which the axis of the NV center can be located depending on how the vacancies are arranged in relation to the nitrogen substitution. There is a scientific direction. these are,
Figure 0007407987000001
The direction is Furthermore, in any given direction, the order of nitrogen substitution and vacancies may be reversed, so there are actually eight unique NV center configurations.

NV中心と分子の相互作用は、NV中心に対するの距離だけではなく、この2つの相対的な方向にも依存する。さらに、励起および検出される光に関する光学的な方向が存在する。ダイヤモンド結晶のどの面が検出面として使用されるかを選択する際に、これらの留意事項の全てが考慮されなければならない。 The interaction of a molecule with the NV center depends not only on its distance to the NV center, but also on the relative orientation of the two. Additionally, there are optical directions for the excitation and detected light. All of these considerations must be taken into account when choosing which face of the diamond crystal is used as the detection face.

窒素-空孔中心は、所定の深度で窒素不純物および空孔を導入すること、次に、窒素不純物に対し拡散を介して空孔を配列させる、1000K~1300Kで焼きなますことにより、所望の深度でダイヤモンドなどの結晶構造中に埋め込まれ得る。窒素欠陥は、ダイヤモンドマトリックスの化学蒸着(CVD)中の窒素パルスを介するか、または析出が完了した後のイオンビーム注入により、所望の深度で注入され得る。空孔は、e-[54]、H+[55]またはHe+のイオンビームを介して注入または作製され得る。 Nitrogen-vacancy centers are created by introducing nitrogen impurities and vacancies at a predetermined depth, then aligning the vacancies via diffusion with respect to the nitrogen impurities, and annealing at 1000K to 1300K. Can be embedded at depth into crystal structures such as diamond. Nitrogen defects can be implanted at the desired depth via nitrogen pulses during chemical vapor deposition (CVD) of the diamond matrix or by ion beam implantation after deposition is complete. Holes can be implanted or created via e-[54], H+[55] or He+ ion beams.

天然のダイヤモンドは、約1%の13Cを含み、それは1/2の核スピン(核の常磁性である)を有しよってNV中心と相互作用するため、NV中心の緩和時間は、CVDを使用して既存の結晶上に同位体的に純粋な12Cのダイヤモンドの蒸着層を成長させること、およびこの層内にNV中心を作製することにより、増大され得る。同様に、15Nの1/2核スピンは、14N同位体の核スピン1よりも好ましい。また、窒素置換はスピンを保有するため、NV中心へと変換され得る窒素のパーセンテージが大きいほど、磁気の観点からサンプルはより透明になる。 Natural diamond contains about 1% 13C , which has 1/2 the nuclear spin (which is the paramagnetic nature of the nucleus) and therefore interacts with the NV center, so the relaxation time of the NV center is less than CVD. can be augmented by growing a deposited layer of isotopically pure 12 C diamond on an existing crystal and creating NV centers within this layer. Similarly, 1/2 nuclear spin of 15 N is preferred over 1 nuclear spin of 14 N isotope. Also, since nitrogen substitution carries spin, the greater the percentage of nitrogen that can be converted into NV centers, the more transparent the sample will be from a magnetic point of view.

適切なCVD条件下では、作製されるNV中心の配向は、著しく偏りがあり得る。すなわち、可能性のある8つ全ての配向が等しく投入されるよりはむしろ単一の配向が、他のものよりも優先的に起こり得る。99%のもの高いアライメントが可能であり得る。このことは、NV中心の全てが同一でありかつ最適に配向され得る装置を作製するために非常に有用であり得る。たとえば、ダイヤモンドの検知表面が(111)面であり、大多数のNV中心が[111]方向に沿って配向され得る場合、これらは全て、検知表面に対し垂直に配向され得る。 Under appropriate CVD conditions, the orientation of the created NV centers can be significantly biased. That is, rather than all eight possible orientations being equally populated, a single orientation may occur preferentially over others. Alignments as high as 99% may be possible. This can be very useful for creating devices where all of the NV centers are identical and can be optimally oriented. For example, if the sensing surface of diamond is a (111) plane and the majority of NV centers can be oriented along the [111] direction, they can all be oriented perpendicular to the sensing surface.

本技術のいくつかの実施形態では、さらなる検出電子機器が存在する、シリコンなどの別の基板に付着された非常に薄い層のダイヤモンドを作製することが望ましい。イオン注入に関する別の使用は、たとえば水素原子を使用して、厚いダイヤモンド結晶中に特定の深度で「破壊層(break layer)」を挿入することである。他の基板に厚いダイヤモンド結晶を結合した後に、ダイヤモンドは、機械的に衝撃を与えられてよく、破壊層に沿って破損し、ダイヤモンド結晶の薄い層を残すであろう。同様の技術が、半導体業界ですでに使用されている。 In some embodiments of the present technology, it is desirable to create a very thin layer of diamond deposited on another substrate, such as silicon, where additional detection electronics are present. Another use for ion implantation is to insert a "break layer" at a certain depth into a thick diamond crystal using, for example, hydrogen atoms. After bonding thick diamond crystals to other substrates, the diamond may be mechanically impacted and will break along the fracture layer, leaving a thin layer of diamond crystals. Similar technology is already used in the semiconductor industry.

図2は、本技術の態様に係る、標的分子検出の略図である。捕捉試薬200は、色中心204のすぐ近くにある基板203(たとえば結晶膜、ダイヤモンド膜、および/または単結晶ダイヤモンドなどの高純度の絶縁体)の表面202に付着される。色中心が励起光208(たとえば光源209からの)で照射される場合、それは、スペクトラムおよび強度により特徴づけられる蛍光210を発するように刺激される。捕捉試薬200は、サンプル液211と接触され(たとえばサンプル液に表面202を曝露することにより)、それにより、サンプル溶液中の標的分析物206(標的分子とも呼ばれる)が捕捉試薬200に結合して複合体212を形成し、それにより、色中心との相互作用214をもたらすかつ/または変化させ、これは、放出された蛍光216の性質(たとえば強度)における検出可能な変化をもたらす。相互作用214において、色中心は、捕捉試薬への標的分子の結合の際に電場の変化または磁場の変化を検出し得る。色中心の性質(たとえば色中心の磁気共鳴またはスピンに関連する性質)は、相互作用214により変えられ得る。 FIG. 2 is a schematic diagram of target molecule detection according to aspects of the present technology. A capture reagent 200 is deposited on a surface 202 of a substrate 203 (eg, a crystalline film, a diamond film, and/or a high purity insulator such as single crystal diamond) in close proximity to a color center 204 . When the color center is illuminated with excitation light 208 (eg, from light source 209), it is stimulated to emit fluorescence 210, which is characterized by spectrum and intensity. Capture reagent 200 is contacted with sample liquid 211 (e.g., by exposing surface 202 to the sample liquid) such that target analytes 206 (also referred to as target molecules) in the sample solution bind to capture reagent 200. A complex 212 is formed, thereby resulting in and/or altering an interaction 214 with the color center, which results in a detectable change in the nature (eg, intensity) of the emitted fluorescence 216. In interaction 214, the color center may detect a change in the electric field or a change in the magnetic field upon binding of the target molecule to the capture reagent. Properties of the color center (eg, magnetic resonance or spin related properties of the color center) can be altered by interactions 214.

サンプル液は、生体液であり得る。捕捉試薬200は、核酸分子、オリゴヌクレオチド、アプタマー、SOMAmer、または標的分子に結合するように構成された他の任意の結合剤であり得る。いくつかの例では、捕捉試薬は、少なくとも5位が修飾されたピリミジン(すなわち、5位が修飾された、ウリジンまたはシチジンなどのピリミジン)を含む。いくつかの例では、異なる種類の5位が修飾されたピリミジンが、表面に付着される。たとえば、少なくとも1つの5位が修飾されたウリジンおよび少なくとも1つの5位が修飾されたシチジンが表面に付着され得る。 The sample fluid can be a biological fluid. Capture reagent 200 can be a nucleic acid molecule, oligonucleotide, aptamer, SOMAmer, or any other binding agent configured to bind to a target molecule. In some examples, the capture reagent comprises a pyrimidine modified at least at the 5-position (ie, a pyrimidine modified at the 5-position, such as uridine or cytidine). In some examples, different types of pyrimidines modified at the 5-position are attached to the surface. For example, at least one 5-position modified uridine and at least one 5-position modified cytidine can be attached to the surface.

標的分析物は、タンパク質であり得る。タンパク質は、正常にフォールディングされたポリペプチド鎖、異常にフォールディングされたポリペプチド鎖、アンフォールディングされたポリペプチド鎖、正常にフォールディングされ得るかまたはされなくてもよいポリペプチド鎖のフラグメント、短いポリペプチド、非天然のアミノ酸を組み込むポリペプチド、および翻訳後に修飾される(たとえばリン酸化、グリコシル化、ジスルフィド結合など)ポリペプチド、またはタンパク質複合体中に組み込まれたポリペプチドを含む。標的分析物はまた、代謝物などの生体液中で見出される小分子を含み得る。 The target analyte can be a protein. Proteins include normally folded polypeptide chains, abnormally folded polypeptide chains, unfolded polypeptide chains, fragments of polypeptide chains that may or may not be normally folded, and short polypeptide chains. , polypeptides that incorporate unnatural amino acids, and polypeptides that are post-translationally modified (eg, phosphorylated, glycosylated, disulfide bonds, etc.) or incorporated into protein complexes. Target analytes may also include small molecules found in biological fluids such as metabolites.

図3A~3Bは、色中心がNV中心であり、標的分析物がタンパク質であり、捕捉試薬がアプタマーである、検出技術の2つの見込みのある相互作用機構の略図である。 Figures 3A-3B are schematic illustrations of two potential interaction mechanisms for detection techniques, where the color center is the NV center, the target analyte is a protein, and the capture reagent is an aptamer.

図3Aは、本技術の態様に係る、磁気スピンラベルを利用して標的分子を検出するために使用され得る相互作用機構の略図である。安定な有機分子は、通常は反磁性であり、常磁性分子(すなわち「フリーラジカル」)は、対となっていない電子を有し、よってこれらは化学的に活性であり、化学反応を介してスピンを失う傾向にある。生化学的な環境への曝露を免れる安定なフリーラジカルは、例外的である。スピンラベルは、大きな生体分子の部位特異的なスピンラベルのために特に開発された、別の分子、特に核酸およびアミノ酸に結合できる、安定な常磁性有機分子または複合体である。
FIG. 3A is a schematic illustration of an interaction mechanism that may be used to detect target molecules utilizing magnetic spin labels, according to aspects of the present technology. Stable organic molecules are usually diamagnetic, and paramagnetic molecules (i.e. "free radicals") have unpaired electrons and are therefore chemically active and can be Tends to lose spin. Stable free radicals that escape exposure to the biochemical environment are exceptional. Spin labels are stable paramagnetic organic molecules or complexes that can bind to another molecule, especially nucleic acids and amino acids, developed specifically for site-specific spin labeling of large biomolecules.

最もよく使用されるスピンラベルは、核酸に組み込むために開発された、窒素酸化物含有有機小分子、または常磁性金属イオンに対し高親和性で錯体形成するEDTAなどの金属キレーターである。核酸塩基の窒素酸化物誘導体もまた開発されている。近年、トリアリールメチル(トリチル)ラジカル誘導体もまた、タンパク質および核酸の両者をラベルするために一般的になった。デオキシリボ-チミンおよびデオキシリボシトシンの両方のEDTA誘導体は、DNAシンセサイザーでの使用のためにホスホラミダイトの形態で開発されている。スピンラベルがNV中心の緩和時間を単純に変化させるように意図される測定では、磁気の相互作用が存在し、かつ幅広い様々なスピンラベルが適用可能であることが重要である。しかしながら、ラベルのスピンラベルが直接提示される測定では、スピンラベルの個別のスペクトルは関連するようになる。たとえば、DEERでは、スペクトルが狭いほど、かつスピンラベルの寿命が長いほど、より良好となる。具体的な例として、DEERにおいて14Nへの超微細カップリングのためスペクトルのトリプレット分裂は不利であり、重水素化されたトリチルの一本線のスペクトルが好ましい選択である。 The most commonly used spin labels are small organic molecules containing nitrogen oxides, developed for incorporation into nucleic acids, or metal chelators such as EDTA, which complex with high affinity for paramagnetic metal ions. Nitric oxide derivatives of nucleobases have also been developed. In recent years, triarylmethyl (trityl) radical derivatives have also become popular for labeling both proteins and nucleic acids. EDTA derivatives of both deoxyribo-thymine and deoxyribocytosine have been developed in the form of phosphoramidites for use in DNA synthesizers. For measurements where the spin label is intended to simply change the relaxation time of the NV center, it is important that magnetic interactions exist and that a wide variety of spin labels are applicable. However, in measurements where the spin labels of the labels are directly presented, the individual spectra of the spin labels become related. For example, in DEER, the narrower the spectrum and the longer the spin label lifetime, the better. As a specific example, triplet splitting of the spectrum is disadvantageous due to hyperfine coupling to 14 N in DEER, and a single line spectrum of deuterated trityl is the preferred choice.

図3Aにおいて、磁気スピンラベル300に結合されたアプタマー301は、色中心104のすぐ近くにあるダイヤモンド結晶100の検知表面202に付着される。サンプル溶液中の標的タンパク質302はアプタマーに結合して複合体303を形成し、スピンラベルとNV中心の間の相互作用304に影響を与えるNV中心とスピンラベルの近位の関係を変えることにより、NV中心の蛍光の性質における検出可能な変化をもたらす。 In FIG. 3A, an aptamer 301 coupled to a magnetic spin label 300 is attached to the sensing surface 202 of the diamond crystal 100 in close proximity to the color center 104. The target protein 302 in the sample solution binds to the aptamer to form a complex 303, which affects the interaction 304 between the spin label and the NV center by changing the proximal relationship of the NV center and the spin label. This results in a detectable change in the nature of the fluorescence of the NV center.

より具体的には、図3Aは、ダイヤモンド中のNV中心の近くにスピンラベルされたアプタマーを載置することにより、磁気相互作用を最大限にするように設計された特定の構成を例示する。タンパク質の結合の際の立体構造的な変化は、NV中心に関連してスピンラベルを移動し得る。NV中心により近い移動は、NV中心の磁場を増大させ、NV中心の下位レベルのスペクトルの動的または準静的な特徴の測定可能な変化をもたらす。 More specifically, FIG. 3A illustrates a particular configuration designed to maximize magnetic interactions by placing spin-labeled aptamers close to NV centers in diamond. Conformational changes upon protein binding can shift the spin label in relation to the NV center. Movement closer to the NV center increases the magnetic field at the NV center and results in measurable changes in the dynamic or quasi-static features of the lower level spectra of the NV center.

下位レベルのスペクトルは、励起光でNV中心を照射し、NV中心からの電磁放射線の放出を検出するように構成された検出器アセンブリを使用して、プロービングされ得る。検出器アセンブリは、下位レベルの共振周波数を含む範囲の周波数にわたるマイクロ波の放射でNV中心を照射し、NV中心により発せられた放射線の変化を検出することにより、下位レベルのスペクトルの変化を検出し得る。共振周波数での放射線は、第1の下位レベルから第2の下位レベルへのNV中心の基底状態の電子の変換を誘導し、これにより、放出された放射線の特徴における変化を誘導し得る。放出された放射線の特徴の一例は、励起光の周波数と放出された光の周波数の間の関係である。さらに、マイクロ波の励起と共にスピンラベルを追加することは、NV中心とのスピンラベルの相互作用を操作するための幅広い選択肢を広げる。 The lower level spectrum may be probed using a detector assembly configured to illuminate the NV center with excitation light and detect emission of electromagnetic radiation from the NV center. The detector assembly detects changes in the spectrum of the lower level by illuminating the NV center with microwave radiation over a range of frequencies including the resonant frequency of the lower level and detecting changes in the radiation emitted by the NV center. It is possible. The radiation at the resonant frequency may induce a conversion of the ground state electrons of the NV center from the first sublevel to the second sublevel, thereby inducing a change in the characteristics of the emitted radiation. An example of a characteristic of the emitted radiation is the relationship between the frequency of the excitation light and the frequency of the emitted light. Furthermore, adding spin labels along with microwave excitation opens a wide range of options for manipulating spin label interactions with NV centers.

図3Bは、本技術の態様に係る、静電気的相互作用を利用して標的分子を検出するために使用され得る別の相互作用機構の略図である。アプタマー301は、NV中心104のすぐ近くのダイヤモンド結晶100の検知表面202に付着される。陽イオン308および陰イオン309の両方が、分析される流体中に存在する。アプタマーの負に荷電した骨格は、陽イオン308を誘引する。これらの結合したイオンは、NV中心に対し局所的な電場に影響を与え、そのためNV中心が励起光208で照射される際に、それがスペクトルおよび強度により特徴づけられる蛍光310を放出するように刺激される。サンプル溶液中のタンパク質はまた、その電荷によりタンパク質に結合したイオンを有する。このタンパク質は、アプタマーに結合して複合体303を形成し、それにより電荷の分布、よってNV中心に対し局所的な電場を変え、これにより放出された蛍光312の性質における検出可能な変化をもたらす。 FIG. 3B is a schematic illustration of another interaction mechanism that may be used to detect target molecules using electrostatic interactions, according to embodiments of the present technology. Aptamer 301 is attached to sensing surface 202 of diamond crystal 100 in close proximity to NV center 104 . Both cations 308 and anions 309 are present in the fluid being analyzed. The negatively charged backbone of the aptamer attracts cations 308. These bound ions influence the local electric field relative to the NV center such that when the NV center is illuminated with excitation light 208, it emits fluorescence 310 characterized by its spectrum and intensity. stimulated. Proteins in the sample solution also have ions bound to them due to their charge. This protein binds to the aptamer to form a complex 303, thereby altering the charge distribution and thus the local electric field relative to the NV center, resulting in a detectable change in the nature of the emitted fluorescence 312. .

より具体的には、図3Bは、静電気的相互作用が探索され得る構成を例示する。表面近くの可動電荷の存在は、NV中心の緩和時間に顕著に影響を与える。NV中心自体に結合した負の電荷、およびアプタマーの骨格に結合した負の電荷も存在する。さらに、標的タンパク質自体が荷電され得る。これらの電荷は、溶液中の対イオンによりスクリーニングされる。アプタマーに対するタンパク質分子の結合は、NV中心に対しこの電荷分布を再配置する。さらに、タンパク質分子自体は水より著しく低い誘電率を有し、その存在は、電荷分布のスクリーニングに影響を与える。両方の作用は、NV中心に存在する準静的かつ動的な電場の変化をもたらし、下位レベルのスペクトラムの特徴に影響を与える。 More specifically, FIG. 3B illustrates a configuration in which electrostatic interactions may be explored. The presence of mobile charges near the surface significantly affects the relaxation time of the NV centers. There is also a negative charge attached to the NV center itself and a negative charge attached to the backbone of the aptamer. Additionally, the target protein itself can be charged. These charges are screened by counterions in solution. Binding of a protein molecule to the aptamer rearranges this charge distribution relative to the NV center. Furthermore, protein molecules themselves have a significantly lower dielectric constant than water, and their presence affects the screening of charge distribution. Both effects result in changes in the quasi-static and dynamic electric field present at the NV center, affecting lower-level spectral features.

下位レベルのスペクトルの静的または動的な変化が相互作用を支配する度合いは、測定がなされる環境により影響され得る。測定が室温でなされる場合、溶液および分子自体における電荷の可動性は、Tの直接的な測定により特徴付けられ得る顕著な動的変化に寄与することが予測される。対照的に、測定が生体液の氷点を下回る温度でなされる場合、これらの動的変化は抑制され、下位レベルでの静的な分裂の直接的な検出を可能にする。スピンラベルされたアプタマーの場合、凍結された状態で測定を行うことは、スピンラベルの緩和時間を顕著に増大させ、スピンラベルとNV中心の間の距離の変化を直接測定するために使用されるDEER(electron-electron double resonance)のような技術を可能にする。 The degree to which static or dynamic changes in the lower-level spectrum dominate the interaction can be influenced by the environment in which the measurements are made. If measurements are made at room temperature, charge mobility in the solution and the molecule itself is expected to contribute to significant dynamic changes that can be characterized by direct measurements of T1 . In contrast, if measurements are made at temperatures below the freezing point of the biological fluid, these dynamic changes are suppressed, allowing direct detection of static disruption at lower levels. For spin-labeled aptamers, performing measurements in the frozen state significantly increases the relaxation time of the spin-label and can be used to directly measure the change in distance between the spin-label and the NV center. It enables technologies such as DEER (electron-electron double resonance).

NV中心を位置づけるための最適な構成はまた、スペクトルの変化が準静的な変化または動的な変化により支配されるかどうかに依存する。動的変化が支配的であり、かつ直接的なT測定が使用される場合、NV中心は表面により近い位置にあり、かつ互いにより近く位置付けられ得る可能性がある。他方で、スペクトラムに対する準静的な変化の注意深い測定は、高忠実度のより長い緩和時間(第1のT)を必要とし、よって、表面からさらに離れておりかつ互いに十分に分離されているNV中心を必要とする。表面からのNV中心の距離は、アプタマーとその結合標的の相互作用を最大限にすることと、準静的な電場および磁場のNV感受性の検出器を作製する長い緩和時間を保つこととの間の折衷案である。 The optimal configuration for locating the NV center also depends on whether the spectral changes are dominated by quasi-static or dynamic changes. If dynamic changes are dominant and direct T 1 measurements are used, it is possible that the NV centers are located closer to the surface and can be located closer to each other. On the other hand, careful measurement of quasi-static changes to the spectrum requires longer relaxation times (first T 1 ) with high fidelity and thus further away from the surface and well separated from each other. Requires NV center. The distance of the NV center from the surface is between maximizing the interaction of the aptamer and its bound target and keeping long relaxation times creating NV-sensitive detectors of quasi-static electric and magnetic fields. It is a compromise plan.

図3A~3Bは、磁場および電場が分析物の結合の際にNV中心の変化をもたらす支配的なものである、相互作用の2つの限界を研究した。SELEXプロセスがSOMAmerの作製のゆっくりとした解離をスクリーニングするために修正された際と同じように、本明細書中記載されるものなどの装置に候補のアプタマーを結合させ、標的結合に対するNV中心の応答を測定するためのステップが、その後の選択ラウンドに追加され得る。この方法では、結合イベントの際にシグナルのコントラストを最大限にするSOMAmerが、最大化され得る。 Figures 3A-3B investigated two limits of interaction, where magnetic and electric fields are the dominant ones that lead to changes in the NV center upon binding of the analyte. Similar to when the SELEX process was modified to screen for slow dissociation of SOMAmer production, candidate aptamers can be coupled to a device such as the one described herein and the NV-centered Steps to measure responses may be added to subsequent selection rounds. In this way, SOMAmers that maximize signal contrast during binding events can be maximized.

図4は、本技術の態様に係る、ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心の電子エネルギーレベル、およびこれらのレベル間の遷移の略図である。より具体的には、図4は、ダイヤモンド中の負に荷電したNV中心の電子エネルギーレベル、およびこれらのレベル間の遷移の単純化された概略である。NV中心での電子の基底状態399は、3つの下位レベル(下位状態(substatesまたはstates)とも呼ばれる)を含む。ゼロスピンの下位レベル400は、最小のエネルギーを有し、|,0>と表される。m=+1およびm=-1のスピンの下位レベル402は、外場の非存在下で同一のエネルギーを有し、|,±1>と表される。 FIG. 4 is a schematic illustration of the electron energy levels of nitrogen vacancy (NV) centers in diamond and the transitions between these levels, in accordance with aspects of the present technology. More specifically, FIG. 4 is a simplified schematic of the electron energy levels of negatively charged NV centers in diamond and the transitions between these levels. The ground state 399 of the electron at the NV center includes three sublevels (also called substates or states). The zero spin lower level 400 has the lowest energy and is denoted | 3 A 2 ,0>. The lower level of spins 402 with m s =+1 and m s =−1 have the same energy in the absence of an external field and are denoted | 3 A 2 ,±1>.

外場は、m=±1のスピン状態に影響を与えるが、m=0のスピン状態に影響を与えず、m=-1のスピン状態のエネルギーを低下させ、m=+1のスピン状態のエネルギーを上昇させる。たとえば、NV中心の対称軸と並んで配列される1027ガウスの磁場は、室温で、|,-1>のレベルを|,0>レベルに低下させる。NV中心のすぐ近くの磁気スピンラベルの存在は、同様ではあるが、著しく小さい作用を有する。修正周波数404(たとえば共振周波数)のマイクロ波での照射は、基底のm=0のスピン状態から基底のm=±1のスピン状態への遷移を誘導する。|E,0>と表される、基底のm=0のスピン状態から励起されたm=0のスピン状態への遷移406、または|E,±1>と表される、基底のm=±1のスピン状態から励起されたm=±1のスピン状態への遷移408は、修正周波数208の励起光での照射により誘導され得る。 The external field affects the spin state with m s = ±1, but not the spin state with m s =0, lowers the energy of the spin state with m s = -1, and lowers the energy of the spin state with m s = +1. Increases the energy of the spin state. For example, a 1027 Gauss magnetic field aligned with the symmetry axis of the NV center reduces the level of | 3 A 2 ,−1> to the level of | 3 A 2 ,0> at room temperature. The presence of magnetic spin labels in the immediate vicinity of the NV center has a similar but significantly smaller effect. Irradiation with microwaves at a modified frequency 404 (eg, the resonant frequency) induces a transition from the base m s =0 spin state to the base m s =±1 spin state. A transition 406 from a ground m s =0 spin state to an excited m s =0 spin state, denoted | 3 E,0>, or a transition 406 from the ground m s =0 spin state , denoted | 3 E,±1> A transition 408 from the m s =±1 spin state of the ms = ±1 spin state to the excited m s =±1 spin state 408 may be induced by irradiation with excitation light at the modified frequency 208 .

励起状態から対応する基底状態への遷移は、赤色光子418の放出により達成される。あるいは、励起状態から基底状態への遷移は、大部分または全て遷移が光子の放出を全く伴うことなくまたはより長い波長の赤外線光子の放出412のみを伴い達成されるため、いわゆる「ダーク遷移(dark transition)」410を介して起こり得る。ダーク遷移410は、ダイヤモンド格子により吸収される赤外線範囲の光子412の放出を伴い、または光子放出の全くない経路414に沿って達成され得る。大部分の場合では、ダーク遷移は、|E,±1から|,0>へのスピンの遷移416をもたらす。|E,±1>レベルの遷移上の電子の約30%が、ダーク遷移を介して基底状態に遷移し、検出可能な光子の放出をもたらす。このため、m=±1のスピン状態の電子は、m=0のスピン状態の電子の蛍光の約70%のみをもたらす。 The transition from the excited state to the corresponding ground state is accomplished by the emission of a red photon 418. Alternatively, the transition from the excited state to the ground state may be a so-called "dark transition" since most or all the transition is achieved without any emission of photons or only with the emission 412 of longer wavelength infrared photons. transition) 410. The dark transition 410 can be achieved with the emission of photons 412 in the infrared range that are absorbed by the diamond lattice, or along a path 414 with no photon emission at all. In most cases, the dark transition results in a spin transition 416 from | 3 E,±1 to | 3 A 2,0 >. Approximately 30% of the electrons on transitions at the | 3E ,±1> level transition to the ground state via a dark transition, resulting in the emission of a detectable photon. Therefore, an electron in a spin state of m s =±1 provides only about 70% of the fluorescence of an electron in a spin state of m s =0.

さらにより具体的には、図4は、負に荷電したNV中心に関する知見および計算と一致する概略的なエネルギーレベルの構造を示す。6つの電子が、C3V対称性(静的な格子構造により課される)の基底状態の「分子の軌道」に位置している。これらの軌道は、ダイヤモンドのバンド構造の計算と一致する4つの軌道の直線状の組み合わせである。エネルギー的に、図3でとラベルされたこの基底状態は、バンドギャップにおける深いレベルの状態である。Eとラベルされる第1の励起状態は、基底状態を超える1.94eVである。それほど局所化されない場合、それは伝導体からさらに1eV超離れる。2つのバンド状態の間の1.94eVの差異は、図4に示される観察された638nmのゼロフォノンの吸収および放出線に対応する。 Even more specifically, FIG. 4 shows a schematic energy level structure consistent with findings and calculations for negatively charged NV centers. Six electrons are located in the ground state "molecular orbitals" of C3V symmetry (imposed by the static lattice structure). These trajectories are linear combinations of four trajectories that are consistent with calculations of diamond's band structure. Energistically, this ground state, labeled 3 A 2 in Figure 3, is a deep level state in the bandgap. The first excited state, labeled 3E , is 1.94 eV above the ground state. If it is less localized, it will be further away from the conductor by more than 1 eV. The 1.94 eV difference between the two band states corresponds to the observed 638 nm zero phonon absorption and emission lines shown in FIG.

基底状態および励起状態の両方はS=1のスピントリプレットであるが、以降は本出願人らは、基底状態の磁気の下位レベルのみに焦点を当てる。よって図3での扱いにくい状態の記載を使用するよりは、本出願人らは多くの場合単純に、m=0、またはm=±1の状態を指し、これは、本出願人らが基底状態を指していると理解される。 Both the ground state and the excited state are spin triplets with S=1, but hereafter we will focus only on the magnetic sublevels of the ground state. Thus, rather than using the intractable state description in Figure 3, we often simply refer to the state where m s =0, or m s =±1, which we is understood to refer to the ground state.

適用される場がない場合、基底状態でのm=0およびm=±1の下位レベルの縮退は、NV中心軸に沿った大きな零電界スプリッティング(zero field splitting)(2.88GHz)により最初に高められ、6つの電子の強く非球形の波動関数を反映する。適用される磁場および/または電場の存在下では、m=0およびm=±1の下位レベルはさらに分裂される。NV中心軸と平行な場では、分裂は、磁場ではガウスあたり2.8MHzであり、電場ではV/mあたり3.5mHzである。この図面は、縮尺通りのエネルギー差を表すものではなく、磁気の下位レベルの分裂は、基底状態および励起状態の間の主要な分裂(1.95eV)より小さい約5桁の大きさである。 In the absence of an applied field, the lower level degeneracy of m s =0 and m s =±1 in the ground state is due to large zero field splitting (2.88 GHz) along the NV central axis. The first is enhanced, reflecting the strongly non-spherical wavefunction of the six electrons. In the presence of an applied magnetic and/or electric field, the lower levels of m s =0 and m s =±1 are further split. For fields parallel to the NV central axis, the splitting is 2.8 MHz per Gauss in the magnetic field and 3.5 mHz per V/m in the electric field. This figure does not represent the energy differences to scale; the magnetic lower level splitting is about 5 orders of magnitude smaller than the main splitting between the ground and excited states (1.95 eV).

基底状態の下位レベル400および402と励起状態406および408の間の遷移は、視認可能な範囲で存在し、NV中心の興味深い光ルミネセンスの性質をもたらす。図5は、本技術の態様に係る、室温でのNV中心の光の吸収および放出の例示的なスペクトルを表す。吸収スペクトル500は、約570nmでピークに達し、どのように効率的に所定の波長の光子がNV中心により吸収されるかを示している。放出スペクトル502は約690nmでピークに達し、所定の波長で放出される光の相対的な強度を示す。吸収スペクトルでのいずれかの波長の光子の吸収は、放出スペクトルでのいずれかの波長の光子の放出をもたらし得る。予測される別の波長由来のスペクトルの拡散は、振動性エネルギーの分子格子への消散、または分子格子からの熱的エネルギーの吸収によるものである。両スペクトルは、吸収される光子および放出される光子のエネルギーが同一であるピーク504を共有する。このピークは、ゼロフォノン線と呼ばれ、ここでこれらのスペクトルは、大気温度が絶対的な0に達しかつ格子の振動が凍結されるので収束する。 Transitions between ground state lower levels 400 and 402 and excited states 406 and 408 are present in the visible range, resulting in interesting photoluminescence properties of the NV centers. FIG. 5 depicts exemplary spectra of light absorption and emission of NV centers at room temperature, in accordance with aspects of the present technology. The absorption spectrum 500 peaks at about 570 nm and shows how efficiently photons of a given wavelength are absorbed by the NV center. Emission spectrum 502 peaks at approximately 690 nm and indicates the relative intensity of light emitted at a given wavelength. Absorption of a photon of any wavelength in the absorption spectrum can result in emission of a photon of any wavelength in the emission spectrum. The expected spread of the spectrum from different wavelengths is due to the dissipation of vibrational energy into the molecular lattice or the absorption of thermal energy from the molecular lattice. Both spectra share a peak 504 where the absorbed and emitted photons have the same energy. This peak is called the zero phonon line, where these spectra converge as the atmospheric temperature reaches absolute zero and the vibrations of the lattice are frozen.

より具体的には、吸収スペクトルおよび放出スペクトルの両方は、強い吸収係数、励起状態に関する短い(約4ns)の寿命、および実質的に非退色の強い蛍光をもたらす広いフォノンの広がりを示す。直接的な吸収および放出の経路は、Sおよびmの両方を荷電されないままにする(吸収された光子または放出された光子の角モーメントは、「分子の」軌道の運動量の変化により相殺される)。対照的に、強いフォノンのカップリングはまた別の崩壊経路(中間の系の交差を介する)を可能にし、それは図3の右側に示されるように、mを1つ変える。この崩壊経路は複数の中間状態を経て、放出されるいずれかの光子エネルギーは、直接的な経路によりもたらされる光子と比較してさらに赤外部にある。よって、これは、多くの場合、「ダーク経路(dark path)」と呼ばれ、m=0の下位レベルから励起されるものよりもm=±1の下位レベルから励起される電子に関し高い可能性で採用される。基底状態のm=0の下位レベルから励起された電子に関する正味の結果は、m=±1の下位レベルから励起されるものと比較してより高い視認可能な蛍光強度である。 More specifically, both the absorption and emission spectra exhibit strong absorption coefficients, short (about 4 ns) lifetimes for the excited state, and wide phonon broadening resulting in strong fluorescence with virtually no bleaching. Direct absorption and emission paths leave both S and m s uncharged (the angular moment of the absorbed or emitted photon is canceled by the change in the momentum of the "molecule's" orbit) ). In contrast, strong phonon coupling also allows another decay path (via intermediate system crossing), which changes m s by one, as shown on the right side of Fig. 3. This decay path goes through multiple intermediate states and the energy of any photon emitted is further in the infrared compared to the photon provided by the direct path. Thus, this is often referred to as the "dark path" and is higher for electrons excited from the lower level of m s =±1 than for those excited from the lower level of m s =0. Hired based on potential. The net result for electrons excited from the lower level of the ground state m s =0 is a higher visible fluorescence intensity compared to those excited from the lower level of m s =±1.

図6は、本技術の態様に係る、NV中心の光学的な読み取りおよびスピン偏極の略図である。励起パルス600は、窒素-空孔中心を照射し、パルスの放出602を刺激する。放出パルスの最初の強度604、Istartは、パルスの最小のポイントであり、測定の開始時のm=0およびm=±1の状態の相対的な集合を表す。この強度は、スピン状態がm=0の状態に対して偏極となる際に、最大強度606、Imaxへと迅速に上昇する。 FIG. 6 is a schematic illustration of optical readout and spin polarization of an NV center in accordance with aspects of the present technology. An excitation pulse 600 illuminates the nitrogen-vacancy center and stimulates the emission 602 of the pulse. The initial intensity 604 of the emitted pulse, I start , is the minimum point of the pulse and represents the relative set of states m s =0 and m s =±1 at the beginning of the measurement. This intensity quickly increases to a maximum intensity 606, I max , as the spin state becomes polarized with respect to the m s =0 state.

磁気の下位レベルの集合の変化は、まさに電子スピン共鳴(EPR)を介して観察されるものであり、ここで印加されるマイクロ波の励起の周波数はmの下位レベルの分裂と一致する。蛍光強度は、上述の下位レベルの集合に依存し、NV中心上の基底状態の磁気共鳴(ODMR)の光学的な検出を可能にする。本出願人らは引き続きODMR検出に言及しているが、NV中心における光電流の直接的な電気的検出が例証されており、別の検出機構として作用し得ることに留意されたい。 The change in the magnetic sub-level ensemble is exactly what is observed via electron spin resonance (EPR), where the frequency of the applied microwave excitation corresponds to the sub-level splitting in m s . The fluorescence intensity depends on the above-mentioned sub-level assembly and allows optical detection of ground state magnetic resonance (ODMR) above the NV center. Although Applicants continue to refer to ODMR detection, it is noted that direct electrical detection of the photocurrent at the NV center is illustrated and can serve as another detection mechanism.

従来の磁気共鳴は、連続的なまたはパルス状のマイクロ波/RF電磁場を適用して、同時に多数(>1013)のスピンの磁気の下位レベル間の遷移を誘導するかこれら下位レベルを混合し、すなわち、温度に依存する巨視的(アンサンブル平均)な磁化で作動する。ゼロの絶対温度で、全てのスピンはそれらの最低のエネルギー下位レベルにあり、この系の磁化は最大であり、よってこの状態は、100%スピンが偏極している。有限温度では、下位レベルの集合はボルツマン統計にしたがい、温度の上昇に伴いアンサンブル平均の分極を減少させる。室温では、下位レベル間のエネルギー差が非常に小さいため、異なる磁気の下位レベルの集合は、おおむね等しく、わずか0.1%の分極をもたらす。 Conventional magnetic resonance applies continuous or pulsed microwave/RF electromagnetic fields to simultaneously induce transitions between or mix the magnetic sublevels of a large number (>10 13 ) of spins. , that is, it operates on a macroscopic (ensemble average) magnetization that depends on temperature. At zero absolute temperature, all spins are at their lowest energy sublevel and the magnetization of the system is maximum, so this state is 100% spin polarized. At finite temperature, lower-level ensembles follow Boltzmann statistics, decreasing the polarization of the ensemble mean as temperature increases. At room temperature, the energy difference between sublevels is so small that a collection of different magnetic sublevels is roughly equal, resulting in only 0.1% polarization.

下位レベルの集合の差異から発生する磁化は、縦磁化と呼ばれ、または従来Z軸が量子化軸と平行に選択されるため磁化のz成分と呼ばれる。いずれかの温度で、縦磁化は、スピンの分極に比例する平衡値を有する。磁化のXY成分である横磁化は、混合状態(固有状態はZ方向に沿って位置する)のアンサンブル平均である。その平衡値はゼロである。 The magnetization that arises from the differences in the lower level sets is called longitudinal magnetization, or the z-component of the magnetization since the z-axis is conventionally chosen parallel to the quantization axis. At any temperature, longitudinal magnetization has an equilibrium value that is proportional to the spin polarization. Transverse magnetization, which is the XY component of magnetization, is an ensemble average of mixed states (eigenstates are located along the Z direction). Its equilibrium value is zero.

下位レベルの遷移または混合状態(一時的な横磁化のゼロではないアンサンブル平均を伴う)は、下位レベルの分裂のエネルギーEと一致する光子エネルギーでRF/マイクロ波電磁場を適用することにより作製され得る。対応する周波数は、E=hf(式中hはプランク定数であり、fはラーモア周波数として知られる)により定義される。混合状態(およびよってアンサンブル平均横磁化)は、ラーモア周波数で歳差運動(precess)(回転)する。通常、この回転する巨視的磁化により誘導されるEMFは、コイルまたは共鳴装置を介して検出される。 Lower-level transitions or mixed states (with a non-zero ensemble mean of transient transverse magnetization) can be created by applying an RF/microwave electromagnetic field with a photon energy that matches the energy of lower-level splitting, E. . The corresponding frequency is defined by E=hf L , where h is Planck's constant and f L is known as the Larmor frequency. The mixed state (and thus the ensemble average transverse magnetization) precesses (rotates) at the Larmor frequency. Typically, the EMF induced by this rotating macroscopic magnetization is detected via a coil or resonator device.

混合状態の作製の後、横磁化のシグナルは、原則的に2つの理由のため時間の経過とともに崩壊する:
1.個々のスピンは、歳差運動の最中に異なる場または変化する場を経験し、すなわち、mの下位レベルのエネルギー差は異なり、それにより混合状態の歳差運動の周波数は、わずかに異なる。これらが同相で歳差運動を開始する一方で、相の差異が歳差運動の周波数の差異により構築され、アンサンブル平均(ベクトルの合計)横磁化はゼロに進む。歳差運動する巨視的磁気モーメントはゼロに崩壊するため、必然的に誘導されるシグナルも崩壊する。「位相のコヒーレンス」の喪失により引き起こされるこの崩壊の特性時間は、Tまたは横方向の緩和時間と呼ばれる。より詳細な実験では、静的な場の差異(すなわちサンプルにわたる磁場の不均一性)による崩壊は排除され、測定中の動的な変化のみを反映する崩壊時間がしたがって、相記憶時間(phase memory time)Tと呼ばれる。この形式での横磁化の喪失は、環境とのエネルギー交換を必要としない。
2.有限温度で、スピンは、環境とエネルギー交換を行い、1つの下位レベルから別の下位レベルへと変換(flip)し得、すなわち、固有状態は、環境との相互作用により有限の寿命を有する。より正確には、環境によりもたらされる流動的(時間依存的)な電磁場は、状態の変化を誘導するように横方向のゼロではないラーモア周波数の場の成分を有する必要がある。これらの変化の結果として、歳差運動する横磁化は、磁化がz(または縦)方向に戻る際に喪失する。このプロセスに関連する特性時間(固有状態の熱的平衡集合分布へ戻るために必要な時間)はTもしくは縦緩和と呼ばれ、または、それが環境とのエネルギー交換を必要とするため、スピン-格子緩和時間と呼ばれる。このプロセスは、TおよびTなどの、いずれかの歳差運動崩壊時間に上限を課す。
After the creation of a mixed state, the transverse magnetization signal essentially decays over time for two reasons:
1. The individual spins experience different or changing fields during precession, i.e. the lower level energy differences in m s are different, so that the precession frequencies of the mixed state are slightly different. . While they start precessing in phase, the phase difference builds up due to the precession frequency difference and the ensemble average (vector sum) transverse magnetization progresses to zero. Since the precessing macroscopic magnetic moment collapses to zero, the necessarily induced signal also collapses. The characteristic time of this collapse, caused by the loss of “phase coherence”, is called T2 or the transverse relaxation time. In more detailed experiments, decays due to static field differences (i.e. magnetic field inhomogeneities across the sample) are eliminated, and decay times that reflect only dynamic changes during the measurement are therefore reduced to phase memory times. time) TM . This form of loss of transverse magnetization does not require energy exchange with the environment.
2. At finite temperature, spins can exchange energy with the environment and flip from one sublevel to another, ie, the eigenstates have a finite lifetime due to their interaction with the environment. More precisely, the fluid (time-dependent) electromagnetic field introduced by the environment needs to have a transverse non-zero Larmor frequency field component to induce a change of state. As a result of these changes, the precessing transverse magnetization is lost as the magnetization returns to the z (or longitudinal) direction. The characteristic time associated with this process (the time required to return to the thermally equilibrium collective distribution of eigenstates) is called T 1 or longitudinal relaxation, or, since it requires an exchange of energy with the environment, the spin - called lattice relaxation time. This process imposes an upper limit on any precession decay times, such as T 2 and T m .

従来のEPR検出とは異なり、ODMRは、縦磁化を検出する。しかしながら、横方向およびその利点の喪失は、大幅な感受性の増加により著しく補完され:低エネルギーの磁気の下位レベルの遷移が、ほぼ完全な量子効率で、1000,000倍超のエネルギーを伴い光子を介して観察され得る。 Unlike conventional EPR detection, ODMR detects longitudinal magnetization. However, the loss of lateral and its advantages is markedly compensated for by a significant increase in susceptibility: low-energy magnetic lower-level transitions can generate photons with almost perfect quantum efficiency and more than 1000,000 times more energy. can be observed through.

ODMR検出を可能にすることに加え、単離されたNV中心において、mに依存的な蛍光はまた、下位レベルの集合の操作をも可能にする。これは、磁気の下位レベルの寿命が、蛍光の寿命よりもはるかに長いためである。十分に高い励起強度では、蛍光率は蛍光の寿命によってのみ限定され、100MHz以上であり得る。たとえば基底状態のm=±1の下位レベルからの励起が、その量子数を保持するw=0.7の確率およびダーク経路を介してm=0の下位レベルに戻る0.3の確率を有する場合、10サイクル後にm=0の状態のスピンのいずれかを見出す確率は、98%であり、すなわち98%のスピン分極が、巨視的なサンプルについて構成され得る。NV中心のTは通常100マイクロ秒よりはるかに長いため、十分に強い100nsのパルスが、室温から0.3Kにダイヤモンドを冷却することに相当するスピン分極を作製し得る。ほぼ完全にスピンが偏極した状態で任意の磁気共鳴測定を開始することは、室温での平衡スピン分極での開始と比較して、シグナルにおける100倍増大である。 In addition to allowing ODMR detection, in isolated NV centers, ms -dependent fluorescence also allows manipulation of lower-level assembly. This is because the lifetime of magnetic sublevels is much longer than that of fluorescence. At sufficiently high excitation intensities, the fluorescence rate is limited only by the lifetime of the fluorescence and can be 100 MHz or higher. For example, an excitation from a lower level at m s =±1 of the ground state has a probability of w = 0.7 to retain its quantum number and a probability of 0.3 to return via a dark path to a lower level at m s =0. , the probability of finding any of the spins in the state m s =0 after 10 cycles is 98%, i.e. 98% spin polarization can be constructed for the macroscopic sample. Since T 1 at the NV center is typically much longer than 100 microseconds, a sufficiently strong 100 ns pulse can create spin polarization equivalent to cooling the diamond from room temperature to 0.3 K. Starting any magnetic resonance measurement with nearly perfect spin polarization is a 100-fold increase in signal compared to starting with equilibrium spin polarization at room temperature.

スピンの集合を偏極する同じパルスはまた、図6に示されるようにスピン分極の測定としても作用する。最大蛍光は、サンプルがm=0の下位レベルにおいて100%のスピンが偏極される際に生じる。本出願人らは、最大蛍光強度をImaxと定義する。本出願人らが、上記の例からの確率を使用し、本出願人らが熱的平衡で開始していることを想定する場合、t=0で励起光がオンになる際に、蛍光応答は、最大効率で蛍光を発するm=0の下位レベルの集合の1/3、および70%の効率(1/3+2/3*0.7=0.8)で蛍光を発するm=±1の状態の2/3に対応する、Imaxの80%である。この強度は、励起光の強度により決定される比率で、Imaxに漸近的に達する。 The same pulse that polarizes a collection of spins also acts as a measurement of spin polarization, as shown in FIG. Maximum fluorescence occurs when the sample is 100% spin polarized at levels below m s =0. Applicants define the maximum fluorescence intensity as I max . If we use the probabilities from the example above and assume that we are starting at thermal equilibrium, when the excitation light is turned on at t=0, the fluorescence response is 1/3 of the lower level set with ms = 0 which fluoresces with maximum efficiency, and ms = ± which fluoresces with 70% efficiency (1/3 + 2/3 * 0.7 = 0.8) 80% of I max , corresponding to 2/3 of the state of 1. This intensity reaches I max asymptotically at a ratio determined by the intensity of the excitation light.

この場合、m=0の下位レベルの最初の分極、Pは、

Figure 0007407987000002

として、最初の蛍光強度Istartの観点から表され得る。 In this case, the initial polarization of the lower level with m s =0, P 0 , is
Figure 0007407987000002

can be expressed in terms of the initial fluorescence intensity I start as .

上記で解析されたw=0.7の事例では、Istart=Imaxの場合、P=1である。Istart=0.7*Imaxである場合、P=0である。Istart=0.8*Imaxである場合、P=1/3である、などである。 In the case of w=0.7 analyzed above, if I start =I max then P 0 =1. If I start =0.7*I max then P 0 =0. If I start =0.8*I max then P 0 =1/3, and so on.

上記にまとめられているNV中心の固有の性質は、市販の蛍光顕微鏡を使用して単一のNV中心の蛍光を検出できる実験の設定を構築することが容易であることを意味する。NV中心は、数百ナノメートルごとに分離できるため、顕微鏡で観察される単一のNV中心の蛍光は、単一のスピンの磁気の下位レベルの全ての分光学的な情報を包有する。単一のスピンが観察される場合、従来のEPR測定の場合でのようなアンサンブル平均は存在しないが、アンサンブル平均と単一のスピンの時間平均との間の直接的な対応は依然として存在する。これらの2つを関連づけるために、アンサンブル平均の分極の値は、下位レベルの確率と置き換えられる必要があり、すなわち、巨視的なアンサンブルの98%のm=0のスピン分極をもたらす光学的な励起パルスが、98%の確率でm=0の状態の単一のNV中心を見出すことに変換される。高い蛍光、迅速な反復および十分な時間平均化のおかげで、統計誤差が少なく合理的に短い実験時間が達成され得る。 The unique properties of NV centers summarized above mean that it is easy to construct an experimental setup that can detect the fluorescence of a single NV center using commercially available fluorescence microscopes. Because NV centers can be separated by hundreds of nanometers, the fluorescence of a single NV center observed under a microscope encompasses all the spectroscopic information at the magnetic sublevels of a single spin. When a single spin is observed, there is no ensemble average as in the case of conventional EPR measurements, but there is still a direct correspondence between the ensemble average and the time average of a single spin. To relate these two, the value of the ensemble mean polarization needs to be replaced by a lower-level probability , i.e., the optical The excitation pulse is translated to find a single NV center with ms = 0 state with 98% probability. Thanks to high fluorescence, rapid repetition and sufficient time averaging, reasonably short experimental times with low statistical errors can be achieved.

NV中心の性質は、時間領域磁気共鳴に十分に適している:100%偏極した最初の状態、単一の中心の感受性の検出、および長い緩和時間、さらに洗練された高分解能の分光法のために今まで発明された全ての時間領域rf/マイクロ波パルスシーケンスが適用され得るという事実は、単一のNV中心を、利用可能な最も感受性のある量子測定ツールにする。 The properties of NV centers are well suited for time-domain magnetic resonance: 100% polarized initial state, sensitive detection of single centers, and long relaxation times, as well as sophisticated high-resolution spectroscopy. The fact that all time-domain RF/microwave pulse sequences invented to date can be applied makes the single NV center the most sensitive quantum measurement tool available.

図7A~7Bは、完全に光学的な測定を介して緩和時間、Tを測定するための手段を表す。m=±1のスピンの下位レベルは、m=0の下位レベルの約70%の蛍光強度で放出し、これにより、均等に分割される場合、総蛍光強度は、スピンがm=0の下位レベルへと完全に偏極される場合の約80%である。図6でのような一連のパルスは、m=0およびm=±1の下位レベルの相対的な集合を評価するための、ならびにスピンをm=0の下位レベルへと再偏極するための測定を可能にする。 Figures 7A-7B represent a means for measuring the relaxation time, T 1 , through entirely optical measurements. The lower level of spins with m s = ±1 emits with approximately 70% fluorescence intensity of the lower level with m s =0, so that if divided evenly, the total fluorescence intensity is the same as the spins with m s = It is about 80% of the case when it is completely polarized to a level below zero. A series of pulses as in Fig. 6 can be used to evaluate the relative set of lower levels of m s =0 and m s =±1, as well as to repolarize the spins to the lower level of m s =0. enable measurements to be made.

図7Aは、本技術の態様に係る、NV中心に関連する光学的な励起パルス708および放出パルス710の略図である。ダイヤモンド中のNV中心は、それぞれがm=0の下位レベルへのNV中心の完全な分極をもたらすために十分に長い期間である、一連の励起光のパルスで照射される。これらの励起パルスの間の間隔τiは多様である。励起パルスの開始直後の蛍光強度(塗られた四角形(filled square)I,I…)が、スピン状態がm=0の下位レベルで完全に偏極されるはずである場合にとられる、参照強度(開かれた長方形(open rectangles))と同様に、測定される。 FIG. 7A is a schematic illustration of optical excitation pulses 708 and emission pulses 710 associated with an NV center, according to aspects of the present technology. The NV center in the diamond is irradiated with a series of pulses of excitation light, each of sufficient duration to result in complete polarization of the NV center to the lower level of m s =0. The spacing τ i between these excitation pulses varies. The fluorescence intensity just after the start of the excitation pulse (filled squares I 0 , I 1 ...) is taken when the spin state should be fully polarized at the lower level of m s =0. , as well as the reference intensities (open rectangles) are measured.

図7Bは、本技術の態様に係る、結合した標的分子の非存在下および存在下での時間の関数としての強度を比較する、NV中心の放出強度のグラフ表示である。より具体的には、図7Aにおいて最初の強度と参照強度との間の差異が、これらの間の時間間隔τの関数としてプロットされており、下位レベルが熱的平衡に戻るまでにどの程度の時間が必要とされるかを示している。強度=I*exp(-τ/T)の指数関数的な適合は、Tの直接的な測定をもたらす。データ点700は、より迅速な平衡への戻りを示しており、よってこれらの指数関数的な適合702は、データ点704およびそれらの指数関数的適合706よりも短いTをもたらす。異なるT値は、アプタマーに結合しているかまたは結合していない分析物の結果として生じる。 FIG. 7B is a graphical representation of NV center emission intensity comparing intensity as a function of time in the absence and presence of bound target molecules, according to embodiments of the present technology. More specifically, in Fig. 7A the difference between the initial and reference intensities is plotted as a function of the time interval τ i between them, and how long it takes for the lower level to return to thermal equilibrium. indicates how much time is required. An exponential fit of intensity=I 0 *exp(−τ/T 1 ) yields a direct measurement of T 1 . Data points 700 indicate a more rapid return to equilibrium, so their exponential fit 702 yields a shorter T 1 than data points 704 and their exponential fit 706. Different T 1 values result from analyte bound or unbound to the aptamer.

より具体的には、図7A~7Bにおいて、NV中心を光学的に偏極させるために十分な期間および強度の一連の励起パルスが、これらの間の様々な待機時間で適用される。この励起波長は、ゼロフォノン線よりも短く、実際には、532nmが多くの場合使用される。励起パルスが適用されると同時に、NV中心からの放出が、放出スペクトラム502の一部または全てを含むバンド幅でモニタリングされる。 More specifically, in FIGS. 7A-7B, a series of excitation pulses of sufficient duration and intensity to optically polarize the NV center are applied with varying waiting times therebetween. This excitation wavelength is shorter than the zero phonon line; in practice, 532 nm is often used. While the excitation pulse is applied, emission from the NV center is monitored in a bandwidth that includes part or all of the emission spectrum 502.

最初に、基底状態は、熱的に平衡化され、よって蛍光の最初のレベルIは、m=±1およびm=0の状態がほぼ等しく存在するため、最大可能Iよりも少ないレベルに対応する。最初のパルスの過程にわたり、放出は、m=0の状態が上述される動的なスピン分極プロセスにより存在するようになるにつれて、最大値に成長しIで飽和する。待機時間の後、第2のパルスが適用される。待機時間が十分短い場合、周辺環境との相互作用は、基底状態の集団を平衡化するための十分な時間を有さず、m=0がなお多く存在し、よって測定される最初の放出強度Iは、依然として最大値Iに近い。 Initially, the ground state is thermally equilibrated and thus the initial level of fluorescence I0 is less than the maximum possible Im since the states with m s = ±1 and m s =0 are approximately equally present. correspond to the level. Over the course of the first pulse, the emission grows to a maximum value and saturates at I m as the state m s =0 comes into existence due to the dynamic spin polarization process described above. After a waiting period, a second pulse is applied. If the waiting time is short enough, the interaction with the surrounding environment will not have enough time to equilibrate the ground state population and there will still be many m s = 0, thus reducing the first emission measured. The intensity I 1 is still close to the maximum value I m .

スピン分極は、残りの第2のパルスの間に再度起こり、この状態は、再度m=0および対応するIの強度に偏極される。より長い待機時間がその後続き、全プロセスが、再度反復される。このプロセスは結果的に反復されるため、待機時間は、NV中心の緩和時間よりも実質的に長くなり、基底状態は、熱的に平衡化され、3つ全ての下位レベルは、等しく存在し、測定される最初の放出は、再度Iと等しくなる。 Spin polarization occurs again during the remaining second pulse, and the state is again polarized to m s =0 and a corresponding intensity of I m . A longer waiting period then follows and the whole process is repeated again. This process is eventually repeated so that the waiting time is substantially longer than the relaxation time of the NV center, the ground state is thermally equilibrated, and all three sublevels are equally present. , the first emission measured is again equal to I 0 .

待機時間の関数として最初の放出強度I、I、I…をプロットすることにより、図7Bでのものなどのグラフが作成され得る。グラフに対する適合は、NV中心の緩和時間Tをもたらし得る。図7Bは、2つのデータセットの例および異なるT値に対応するそれらの各適合を示す。この測定順序は、標準的なパルス化磁気EPR実験で使用されるものと非常に類似しており、最初の状態が、マイクロ波のπパルスにより調製される反転した熱的平衡の磁化-Mであり、後期の時間の値が、別のマイクロ波のπ/2パルスにより開始されるマイクロ波の放射を検出することにより読み取られる。しかしながら、この場合、磁場またはマイクロ波のアンテナまたは共鳴装置が必要とされないため、測定がかなり単純化される。 By plotting the initial emission intensities I 1 , I 2 , I 3 . . . as a function of waiting time, a graph such as that in FIG. 7B can be created. The fit to the graph may yield the NV-centered relaxation time T1 . Figure 7B shows examples of two data sets and their respective fits corresponding to different T1 values. This measurement sequence is very similar to that used in standard pulsed magnetic EPR experiments, where the initial state is an inverted thermal equilibrium magnetization prepared by microwave π pulses - M 0 , and the later time value is read by detecting the microwave radiation initiated by another microwave π/2 pulse. However, in this case no magnetic field or microwave antenna or resonator is required, which considerably simplifies the measurements.

マイクロ波に加え、より詳細な測定技術が可能になる。たとえば、上述される完全に光学的なT測定の場合、すべての分極する光パルスの直後に追加されたマイクロ波のπパルス(零電界スプリッティングの周波数およびNV中心の対称軸と垂直に配向された場を伴う)は、m=0の状態についてゼロの最初の集団を提供する。マイクロ波のパルスを伴う測定および伴わない測定を交互に行い、それらの差異をプロットおよび適合することにより、残りの(熱的平衡)シグナルの値の適合を必要とせずにTを測定できる。これは、外部の磁場の非存在下でのm=+/-1の状態が縮退している(等しいエネルギー)ため、とても単純に作用することに留意されたい。 In addition to microwaves, more detailed measurement techniques become possible. For example, for the fully optical T1 measurements described above, every polarizing light pulse is immediately followed by an added microwave π-pulse (with a frequency of zero field splitting and oriented perpendicular to the symmetry axis of the NV center). ) provides an initial population of zeros for the state m s =0. By alternating measurements with and without microwave pulses and plotting and fitting their differences, T 1 can be determined without the need for fitting the values of the remaining (thermal equilibrium) signal. Note that this works very simply because the state with m s =+/−1 in the absence of an external magnetic field is degenerate (equal energy).

外場を追加することは、測定の可能性をさらに増大させる。外部の静的な場Hが課される場合、m=+/-1の状態のエネルギーレベルは分裂し、よってm=0からm=+1およびm=からm=-1への遷移が異なる周波数のマイクロ波の励起に応答する。適用される場が小さいかまたはNV中心の対称軸と平行である限り、光学的な応答は変化せず、読み取りのために使用され続け得る。m=0の状態の光学的な分極は、実験にとって理想的な開始点として作用し続け、より後の時間での光学的励起パルスの間に測定される最初の蛍光強度は、m=0の下位レベルの集団を測定するために使用され得、すなわち、感受性のある縦方向の検出として作用し得る。最初の分極と検出の間の時間間隔は変動し得、マイクロ波パルスの周波数により選択されるレベルの間で下位レベルの分光法を行うために使用され得る。外部の電場もまた下位レベルを分裂し、外部の磁場よりも使用され得ることに留意されたい。 Adding an external field further increases measurement possibilities. When an external static field H 0 is imposed, the energy level of the state m s =+/−1 splits, thus from m s =0 to m s =+1 and from m s = to m s =−1 transitions to respond to microwave excitation of different frequencies. As long as the applied field is small or parallel to the symmetry axis of the NV center, the optical response remains unchanged and can continue to be used for reading. The optical polarization of the state m s = 0 continues to serve as an ideal starting point for experiments, and the first fluorescence intensity measured during an optical excitation pulse at a later time is It can be used to measure sub-level populations of 0, ie, can act as a sensitive longitudinal detection. The time interval between initial polarization and detection can be varied and used to perform sub-level spectroscopy between levels selected by the frequency of the microwave pulse. Note that an external electric field also splits the lower levels and can be used more than an external magnetic field.

単純なハーンエコー、CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)からMREV-8の範囲にある全ての既知のマイクロ波パルスシーケンスが、NV中心のコヒーレンス時間を探索する、すなわち、ミリ秒の時間間隔でミリガウスの数十分の1までの小さな場の変動を決定するために使用され得る。これらの測定の前提条件は、長いTであり、表面から離れた(15~20nm)NV中心だけでなく、アプタマー、タンパク質、およびイオンの動きを凍結すること、すなわち試験される液体を凍結することを必要とする。 All known microwave pulse sequences ranging from simple Hahn echoes, CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) to MREV-8, search for the coherence time of the NV center, i.e. in millisecond time intervals. It can be used to determine field fluctuations as small as a few tenths of a milligauss. A prerequisite for these measurements is a long T and freezing the movement of aptamers, proteins, and ions as well as the NV centers far from the surface (15-20 nm), i.e. freezing the liquid being tested. It requires that.

さらに、アプタマーに付着されるスピンラベルと、タンパク質捕捉により誘導されるNV中心との間の距離の変化は、DEER(Double Electron - Electron Resonance)実験で測定され得る。NVの下位レベルの歳差運動を反転させつつスピンラベル上のスピンを反転させるために異なる周波数で第2のマイクロ波の励起を適用して、スピンの反転による歳差運動の周波数の差異を高い精度で検出でき、最大20nmのナノメートル以下の精度の距離の測定を可能にする。必要とされる距離にわたりDEERを行うために、アプタマー上のNV中心およびスピンラベルの緩和時間は、ミリ秒の桁であることが必要であり、試験される液体を凍結することが再度必要である。 Furthermore, the change in distance between the spin label attached to the aptamer and the NV center induced by protein capture can be measured in DEER (Double Electron-Electron Resonance) experiments. Applying a second microwave excitation at a different frequency to flip the spins on the spin label while reversing the precession of the lower levels of the NV increases the difference in frequency of precession due to spin flipping. It can detect with precision and enables distance measurement with sub-nanometer precision of up to 20 nm. To perform DEER over the required distances, the relaxation times of the NV centers and spin labels on the aptamer need to be on the order of milliseconds, and it is again necessary to freeze the liquid being tested. .

上述のように、NV中心間の横方向分離は、NV中心間の顕著な相互作用を予防するために、たとえば100nm超などのように大きくてよい。しかしながら、アプタマーは、小さく、数ナノメートルの桁であり、よって、本出願人らは、2つの異なる認識を区別している。第1の認識では、アプタマーは表面に密集して結合され、それにより、いずれかの所定のNV中心が、NV中心の範囲の相互作用内で無作為に分布された複数のアプタマー部位と相互作用し、よって、複数の部位にわたり平均相互作用変化を測定する。 As mentioned above, the lateral separation between NV centers may be large, eg, greater than 100 nm, to prevent significant interactions between NV centers. However, aptamers are small, on the order of a few nanometers, and we therefore distinguish between two different perceptions. In the first realization, aptamers are tightly bound to a surface such that any given NV center interacts with multiple randomly distributed aptamer sites within the range of interactions of the NV center. and thus measure the average interaction change across multiple sites.

第2の可能性では、部位特異的な界面化学が、アプタマー部位と根底にあるNV中心との間の1:1の対を確実にするために使用される。これは、NV中心に存在する電荷により影響を受ける界面化学を使用することにより、またはNV中心の蛍光により、達成され得る。この構成は、単一のタンパク質の感受性および的確な標的タンパク質と非特異的なバインダーを区別する性質を提供するほぼ同一の測定部位をもたらす利点を有する。分子ごとのはいまたはいいえの決定に基づき統計を集めるこの能力は、同数のNV中心を前提として、第2の構成が優れた分解能および動的範囲を提供し得ることを意味する。 In the second possibility, site-specific surface chemistry is used to ensure a 1:1 pairing between the aptamer site and the underlying NV center. This can be achieved by using surface chemistry influenced by the charge present in the NV center or by fluorescence of the NV center. This configuration has the advantage of providing nearly identical measurement sites providing single protein sensitivity and the ability to distinguish between precise target proteins and non-specific binders. This ability to gather statistics based on molecule-by-molecule yes or no decisions means that given the same number of NV centers, the second configuration can provide superior resolution and dynamic range.

本技術の目的の1つは、各個別のタンパク質に特異的なアプタマーを使用することにより同時に複数のタンパク質の濃度を測定することである。これを達成できる少なくとも2つの基本的に異なる方法が存在する。 One of the goals of this technology is to measure the concentration of multiple proteins simultaneously by using aptamers specific for each individual protein. There are at least two fundamentally different ways in which this can be achieved.

第1の可能性のある検出パラダイムでは、いずれかの所定のタンパク質標的について、独立した検出器によりそれぞれが測定される、多数の個別のNV中心およびアプタマー部位が存在する。これは、多数の単一NV中心実験を効率的に行う。NV中心とアプタマー部位の間の1:1の対形成がさらに存在する場合、結合したタンパク質の数を計測して特異的な標的タンパク質の濃度を表す単数をもたらすことができる。 In the first possible detection paradigm, for any given protein target there are a large number of individual NV centers and aptamer sites, each measured by an independent detector. This efficiently performs a large number of single NV centered experiments. If there is still a 1:1 pairing between the NV center and the aptamer site, the number of bound proteins can be counted to yield a single number representing the concentration of the specific target protein.

第2の可能性のある検出パラダイムでは、所定のタンパク質標的に関する多数のNV中心およびアプタマー部位が、単一の検出器により同時に測定される。これは、分子ごとの識別の利点を放棄し、標的タンパク質の濃度を定量化するための較正曲線を作成することを必要とするが、それは必要とされる装置の複雑さを低減し得る。 In a second possible detection paradigm, multiple NV centers and aptamer sites for a given protein target are measured simultaneously by a single detector. Although this forgoes the advantage of molecule-by-molecule identification and requires creating a calibration curve to quantify the concentration of target protein, it may reduce the complexity of the required equipment.

各事例において、理想的には全てのNV中心は、同時に励起されおよび検出されるが、しかしながら、それは異なるアプタマーは異なる応答を有し得るという事実に対処するために複数の測定プロトコルを使用することを排除しない。 In each case, ideally all NV centers are excited and detected simultaneously; however, it is important to use multiple measurement protocols to address the fact that different aptamers may have different responses. do not exclude.

両事例において、ダイヤモンド(またはより一般的には結晶)表面の異なる部分が、異なるタンパク質の濃度を測定するために特化される。しかしながら、必要とされる検出器の数において差異が生じる。たとえば、10,000個のタンパク質の濃度を検出することは、第1の事例では10個程度の検出器を必要とし得るが、第2の事例ではわずか10,000個の検出器のみを必要とする。 In both cases, different parts of the diamond (or more generally crystal) surface are specialized to measure the concentration of different proteins. However, differences occur in the number of detectors required. For example, detecting the concentration of 10,000 proteins may require as many as 108 detectors in the first case, but only 10,000 detectors in the second case. shall be.

図8A~Dは、本技術に基づきバイオチップをプロービングするための異なる構成を表す。(111)で終結するダイヤモンド表面に近い[111]方向に沿って存在する同一のNV中心は、測定される全てのNV中心が同等でありかつ大部分の感度のある検出領域がNV中心の真上に位置しているため、理想的な構成であるが、どの配向のダイヤモンド結晶が容易に製造され得るかなどの他の制約がこれを可能にしない場合がある。いくつかの装置の構成は、他のものよりもこの状況を許容する。 Figures 8A-D represent different configurations for probing biochips based on the present technology. Identical NV centers that lie along the [111] direction close to the diamond surface terminating at (111) mean that all measured NV centers are equivalent and that most sensitive detection areas lie directly along the NV center. Although this is an ideal configuration, other constraints such as which orientations of diamond crystals can be easily produced may not allow this. Some device configurations tolerate this situation more than others.

図8Aは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置の第1の例示的な構成を表す。最も単純な構成において、アプタマー301は、検知表面202の下に所定の深度で位置する窒素-空孔中心104のすぐ近くにあるダイヤモンド結晶100の表面に付着される。励起光208により誘導または刺激される蛍光放射光418の性質が、タンパク質-アプタマー複合体800の存在を検出するために測定される。タンパク質の存在は、窒素-空孔中心の1つ以上の性質の変化を誘導し、この変化は、窒素-空孔中心からの蛍光放射に基づき検出される。 FIG. 8A depicts a first exemplary configuration of an apparatus for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. In the simplest configuration, aptamer 301 is attached to the surface of diamond crystal 100 in close proximity to nitrogen-vacancy center 104 located at a predetermined depth below sensing surface 202 . The nature of the fluorescent emission light 418 induced or stimulated by the excitation light 208 is measured to detect the presence of the protein-aptamer complex 800. The presence of the protein induces a change in one or more properties of the nitrogen-vacancy center, which change is detected based on fluorescence emission from the nitrogen-vacancy center.

図8Aに示される構成は、上述の全ての光学的なT測定を行うために必要とされる全てである。これは、NV中心の等価性に関して最も厳しくない条件を課す。全ての8つの異なる可能なNV中心の配向を伴う(100)ダイヤモンド表面が使用され得る。この場合、NV中心の対称軸は、この表面に直角ではなく、これは理想的ではないが、8つ全ての配向は、同じ量だけずれており、よってNV中心は同等に機能する。欠点の1つは、双極子-双極子の相互作用の細部により、NV中心の真上の磁気の相互作用が最小化され、よって大部分の感受性のある相互作用領域は、各NV中心から横方向にいくらか離れて配置されることである。これは、電気的相互作用には当てはまらない。またこの配向は、ダイヤモンド内部で内面的に反射される光を使用する光学的な励起および読み取りにとっても理想的ではない。しかしながらこれは、両者の間の適切な妥協案を表すものであり、製造することがより容易なダイヤモンド表面の使用を可能にする。 The configuration shown in FIG. 8A is all that is needed to perform all the optical T 1 measurements described above. This imposes the least stringent condition on NV-centered equivalence. A (100) diamond surface with all eight different possible NV center orientations can be used. In this case, the axis of symmetry of the NV center is not perpendicular to this surface, which is not ideal, but all eight orientations are offset by the same amount, so the NV center functions equally well. One drawback is that the details of the dipole-dipole interaction minimize the magnetic interaction directly above the NV center, so that most sensitive interaction regions lie laterally from each NV center. be placed some distance apart in the direction. This does not apply to electrical interactions. This orientation is also not ideal for optical excitation and reading using light that is internally reflected within the diamond. However, this represents a good compromise between the two and allows the use of diamond surfaces, which are easier to manufacture.

図8Bは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置の別の例示的な構成である。(A)で表された構成に、マイクロ波の放射802がマイクロ波アンテナ804によりダイヤモンド表面に方向づけられる、マイクロ波供給源806が追加される。マイクロ波供給源は、ゼロ電解スプリッティングの周波数(2.89GHz)と一致しており、かつマイクロ波の磁場の角度が全てのNV中心に対して同じであることを確保する方向で、図8Bのように追加されて、測定の精度も支援し得る。蛍光放射光418の強度が測定されてよく、ダイヤモンド内の色中心の共鳴の挙動は、測定される強度とマイクロ波の放射802の周波数との間の関係に基づき同定され得る。 FIG. 8B is another exemplary configuration of an apparatus for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. To the configuration represented in (A) is added a microwave source 806 in which microwave radiation 802 is directed onto the diamond surface by a microwave antenna 804. The microwave source was oriented to match the frequency of zero electrolytic splitting (2.89 GHz) and to ensure that the angle of the microwave magnetic field was the same for all NV centers in Figure 8B. In addition, the accuracy of the measurements may also be supported. The intensity of the fluorescent radiation 418 may be measured and the behavior of the resonance of the color center within the diamond may be identified based on the relationship between the measured intensity and the frequency of the microwave radiation 802.

図8Cは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置のさらなる別の例示的な構成を表す。(B)で表される構成に、外部の磁場812がダイヤモンド表面に課される磁場供給源810が追加される。図8C上で記載されるように外部の静的な場Hを追加することは、位相のコヒーレンス(T)の測定のため必要とされ得る。 FIG. 8C depicts yet another exemplary configuration of a device for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. To the configuration represented in (B) is added a magnetic field source 810 in which an external magnetic field 812 is imposed on the diamond surface. Adding an external static field H 0 as described on FIG. 8C may be required for the measurement of phase coherence (T 2 ).

図8Dは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置のさらなる別の例示的な構成を表す。(C)で表される構成に、第1のマイクロ波供給源806と同じマイクロ波アンテナ804を共有する第2のマイクロ波供給源808が追加される。図8Dで示される第2の(独立した周波数)マイクロ波供給源は、DEER実験を行うためのスピンラベルに必要とされ得る-全てのマイクロ波の磁場は理想的には、Hに対してほぼ垂直であることに留意されたい。高い磁場では、場と平行なNV中心のみが光学的に読み取られ得るため、この構成は理想的には、上述の[111]方向に沿って配列されたNV中心を有する(111)表面を使用する。全てのNV中心の配向が等しく投入された場合、それらの75%は使用できない。光学的な励起および蛍光放射は、理想的には、NV軸とほぼ平行である。 FIG. 8D depicts yet another exemplary configuration of an apparatus for detecting a target molecule, according to aspects of the present technology. A second microwave source 808 that shares the same microwave antenna 804 as the first microwave source 806 is added to the configuration represented by (C). A second (independent frequency) microwave source, shown in Figure 8D, may be needed for spin labels to perform DEER experiments - all microwave magnetic fields are ideally for H 0 Note that it is nearly vertical. At high magnetic fields, only NV centers parallel to the field can be optically read, so this configuration ideally uses a (111) surface with NV centers aligned along the [111] direction mentioned above. do. If all NV center orientations were equally populated, 75% of them would be unusable. Optical excitation and fluorescence emission are ideally approximately parallel to the NV axis.

非同等なNV中心(投入された8つ全てが異なる配向を伴う(100)で終結される結晶のような)の場合、可能性のある解決策は、これらに対して適切にアライメントされた場でNV中心の1/8のみを使用し、異なる場の配向およびマイクロ波の周波数を適用することによりこれらの全てを連続して処理することである。別の可能性のある解決策は、共鳴磁場で「フィールドサイクリング(field cycling)」として知られるものを使用することである。この場合、大きな場(たとえばゼロ電解スプリッティングより2倍以上大きい)が、マイクロ波の作動の間[100]軸に沿って適用され、光学的な分極および検出を行う間にゼロに切り替えられ得る。 In the case of non-equivalent NV centers (such as crystals where all eight inputs are terminated at (100) with different orientations), a possible solution is to The idea is to use only 1/8 of the NV center in the 200 nm and process all of these sequentially by applying different field orientations and microwave frequencies. Another potential solution is to use what is known as "field cycling" with resonant magnetic fields. In this case, a large field (e.g. more than two times larger than zero electrolytic splitting) can be applied along the [100] axis during microwave operation and switched to zero during optical polarization and detection.

図9は、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置899のさらなる別の例示的な構成を表す。より具体的には、図9は、本発明に基づき統合されたバイオチップの略図である(縮尺通りではない)。この図は、スピンラベル、アプタマー、および窒素-空孔中心を利用する検出技術の一実施形態を表しているが、他の検出技術の実施形態が可能である。バイオチップは、4つの層:捕捉層900、ダイヤモンド層902、フィルター層904、および統合された検出および処理層906から構成される。捕捉層900は、磁気スピンラベル300に結合されるSOMAmer301がその上に付着される、ダイヤモンド層の表面を通って目的の標的分子206(たとえば標的タンパク質302)を含むサンプル液を方向付けるチャネルから構成される。 FIG. 9 depicts yet another exemplary configuration of an apparatus 899 for detecting target molecules, in accordance with aspects of the present technology. More specifically, FIG. 9 is a schematic representation (not to scale) of a biochip integrated according to the invention. Although this figure represents one embodiment of a detection technique that utilizes spin labels, aptamers, and nitrogen-vacancy centers, other detection technique embodiments are possible. The biochip is composed of four layers: a capture layer 900, a diamond layer 902, a filter layer 904, and an integrated detection and processing layer 906. The capture layer 900 is comprised of a channel that directs a sample liquid containing a target molecule of interest 206 (e.g., a target protein 302) through the surface of a diamond layer onto which a SOMAmer 301 coupled to a magnetic spin label 300 is deposited. be done.

捕捉層における機構は、同一のSOMAmerがその上に付着されるダイヤモンド層の検知表面の領域である。各機構は、別々のタンパク質分析物に特異的な1つ以上のSOMAmerを含み、ダイヤモンド層中のNV中心の結合した集合ならびに統合された検出および処理層中の個別の光検出器に、x-y座標(図9)で対応する。 The features in the acquisition layer are areas of the sensing surface of the diamond layer onto which the same SOMAmer is deposited. Each mechanism contains one or more SOMAmers specific for separate protein analytes, x- This corresponds to the y coordinate (Fig. 9).

各SOMAmer301または他の捕捉試薬200は、特定の種類または種の標的分子206に結合するように構成された特定の種類または種の捕捉試薬であり得る。捕捉試薬の種は、捕捉試薬の官能基に結合し得る。捕捉層900は、少なくとも2つの異なる種に属する捕捉試薬200を含み得、これにより少なくとも2種の標的分子206が、バイオチップ装置により検出され得る。いくつかの実施形態では、捕捉層900は、多数の種、たとえば数百種、数千種、またはそれより多い捕捉試薬を含む。 Each SOMAmer 301 or other capture reagent 200 may be a specific type or species of capture reagent configured to bind a specific type or species of target molecule 206. The capture reagent species may be attached to a functional group of the capture reagent. The capture layer 900 may include capture reagents 200 belonging to at least two different species, so that at least two target molecules 206 can be detected by the biochip device. In some embodiments, the capture layer 900 includes multiple species of capture reagents, such as hundreds, thousands, or more.

本発明のいくつかの好ましい実施形態は、スピンラベルを含まない。SOMAmer分子へのタンパク質分子の結合は、SOMAmerと近位の窒素-空孔中心104の間の相互作用304に変化をもたらし、このような変化は、蛍光放射216を介して検出される。界面化学およびSOMAmerは、アプタマーへのタンパク質標的の結合の際に、相互作用において大きな相対的差異をもたらすように最適化される。 Some preferred embodiments of the invention do not include spin labels. Binding of a protein molecule to a SOMAmer molecule results in a change in the interaction 304 between the SOMAmer and the proximal nitrogen-vacancy center 104, and such change is detected via fluorescence emission 216. Surface chemistry and SOMAmers are optimized to yield large relative differences in interactions upon binding of protein targets to aptamers.

ダイヤモンド層は、化学蒸着により製作される純度の高いダイヤモンドから構成され、その中にNV中心104の層が表面からの所定の固定された距離105で埋め込まれる。いくつかの例では、深度としても表され得る、所定の固定された距離は、5~20ナノメートル、または15~20ナノメートルの範囲である。ダイヤモンド層内のNV中心は、所定の固定された深度よりも大きな距離ごとに分けられ、これらの間の相互作用が、表面上の分子との相互作用と比較して小さいことを確保する。NV中心の層の厚さは、所定の固定された深度と比較して小さい。窒素-空孔中心とSOMAmerの間の距離は、SOMAmerへのタンパク質の結合の際の相互作用の変化が、可能でありかつ/または検出できるよう十分小さいように選択される。外部の磁場812が存在し得る。ダイヤモンド層は、100%12Cダイヤモンドを含み得る。 The diamond layer consists of high purity diamond fabricated by chemical vapor deposition into which a layer of NV centers 104 is embedded at a predetermined fixed distance 105 from the surface. In some examples, the predetermined fixed distance, which can also be expressed as depth, ranges from 5 to 20 nanometers, or from 15 to 20 nanometers. The NV centers within the diamond layer are separated by a distance greater than a predetermined fixed depth to ensure that interactions between them are small compared to interactions with molecules on the surface. The thickness of the layer at the NV center is small compared to a predetermined fixed depth. The distance between the nitrogen-vacancy center and the SOMAmer is selected such that a change in interaction upon binding of the protein to the SOMAmer is small enough to be possible and/or detectable. An external magnetic field 812 may be present. The diamond layer may include 100% 12C diamond.

励起光208(レーザーなどの光源によりもたらされる)は、NV中心の蛍光を刺激する。外部のマイクロ波802は、これらの下位レベル間の基底状態の電子を遷移する。フィルター層は、層状化した誘電体から構成されて2色性バンドパスフィルター912を形成し、これは片側でダイヤモンド層902、もう一方の側で統合された検出および処理層906に接着される。全ての他の波長を遮断しつつNV中心からの放射光を通すことに加え、フィルター層904はまた、通常からの狭い範囲の角度の外側にある放射光を遮断し、それにより、隣接するNV中心間の検出におけるクロストークを最小化する。 Excitation light 208 (provided by a light source such as a laser) stimulates fluorescence in the NV center. External microwaves 802 transition ground state electrons between these lower levels. The filter layer is constructed from a layered dielectric to form a dichroic bandpass filter 912, which is bonded to the diamond layer 902 on one side and the integrated detection and processing layer 906 on the other side. In addition to passing radiation from the NV center while blocking all other wavelengths, filter layer 904 also blocks radiation outside a narrow range of angles from the normal, thereby blocking adjacent NV Minimize crosstalk in center-to-center detection.

フィルター層は、窒素-空孔中心の放出波長(680nm)あたりの狭いバンドパスフィルターであるように設計される。さらに、フィルター層は、隣接する機構間のクロストークを最小化するために、通常から狭いバンドの角度の外側にある光を遮断する。フィルター層はまた、ダイヤモンド層と統合された検出および処理層の間の機械的な結合として機能する。光学的に透明で機械的に厳格な接着剤が、上面でダイヤモンド層にフィルター層を接合するために、および下部で統合された検出および処理層にフィルター層を接合するために使用され得る。フィルター層は、特定の波長の光を遮断するための波の干渉の原則に依存する誘電体の層から構築される。フィルター層の設計および製作は、本技術の範囲外にある。 The filter layer is designed to be a narrow bandpass filter around the nitrogen-vacancy center emission wavelength (680 nm). Additionally, the filter layer blocks light outside the normal to narrow band angle to minimize crosstalk between adjacent features. The filter layer also acts as a mechanical bond between the diamond layer and the integrated detection and processing layer. An optically clear and mechanically rigorous adhesive can be used to bond the filter layer to the diamond layer on the top side and to the integrated detection and processing layer on the bottom side. Filter layers are constructed from dielectric layers that rely on the principle of wave interference to block light of specific wavelengths. The design and fabrication of filter layers is outside the scope of this technology.

統合された検出および処理層906は、電子的イベントカウンター918を駆動する高速の電子ゲート916を駆動するCMOSのアバランシェ光検出器914から構成される。光検出器914はまた、検出器アセンブリとも称され得る。本技術では、検出器アセンブリは、1つ以上の周波数の励起光で色中心を照射し、かつ色中心からの電磁放射線の放出を検出するように構成され得る。イベントカウンターの出力は、分析のため収集される。指定された座標920は、x座標およびy座標が上部のダイヤモンド層の表面の面にあり、かつz座標がこの表面に直行するように選択される。光源により放出される範囲の波長(すなわち励起光208のスペクトル)は、光検出器914により検出される範囲の波長と同じであってよく、または同じでなくてもよい。励起光の波長の範囲は、光検出器914が検出するように構成された範囲の波長と部分的に重複してよくまたは実質的に重複していなくてもよい。 The integrated detection and processing layer 906 is comprised of a CMOS avalanche photodetector 914 that drives a high speed electronic gate 916 that drives an electronic event counter 918 . Photodetector 914 may also be referred to as a detector assembly. In the present technique, a detector assembly may be configured to illuminate a color center with excitation light at one or more frequencies and to detect emission of electromagnetic radiation from the color center. Event counter output is collected for analysis. The designated coordinates 920 are chosen such that the x and y coordinates are in the plane of the surface of the upper diamond layer and the z coordinate is perpendicular to this surface. The range of wavelengths emitted by the light source (ie, the spectrum of excitation light 208) may or may not be the same as the range of wavelengths detected by photodetector 914. The range of wavelengths of the excitation light may partially overlap or not substantially overlap the range of wavelengths that photodetector 914 is configured to detect.

統合された検出および処理層は、リソグラフィー生産のために設計されてよく、電子的構成要素およびそれらの間の接続の両方を含む。統合された検出および処理層は、リソグラフィーを使用して製作されてよく、光学的に透明な接着剤を使用して、フィルター層(またはフィルター層が除外される場合はダイヤモンド層)に付着され得る。統合された検出および処理層は、光検出器層、ゲーティング層、A-D(アナログ-デジタル)層、および蓄積したデータをプロセッサに移動させるためのバスから構成され得る。図9はこれらの層がz方向に分布されるように表しているが、このような配置は必要でない。 Integrated detection and processing layers may be designed for lithographic production and include both electronic components and connections between them. The integrated detection and processing layer may be fabricated using lithography and attached to the filter layer (or the diamond layer if the filter layer is excluded) using an optically clear adhesive. . The integrated detection and processing layer may consist of a photodetector layer, a gating layer, an AD (analog-to-digital) layer, and a bus for moving the accumulated data to the processor. Although FIG. 9 depicts these layers as being distributed in the z-direction, such an arrangement is not necessary.

光検出器層は、アバランシェフォトダイオードのアレイを含んでよく、各フォトダイオードが捕捉層上の単一の機構に特化され、かつx座標およびy座標においてこの機構と関連している。各フォトダイオードは、ゲーティング層中の高速電子ゲートと関連し得る。NV中心からの蛍光の変化は、マイクロ秒以下のスケールであり得、よって、これら強度の変化をモニタリングするために、非常に短く定義された時間枠でのみ光を収集することが必要である。各ゲートは今度は、イベントカウンター層中のイベントカウンターに関連し、それが光子の計測を実際に行う。各イベントカウンターからのデータは、データ解析のためプロセッサに送達される。 The photodetector layer may include an array of avalanche photodiodes, each photodiode being specialized to and associated with a single feature on the capture layer in x and y coordinates. Each photodiode may be associated with a fast electron gate in a gating layer. Fluorescence changes from the NV center can be on the sub-microsecond scale, so it is necessary to collect light only in very short defined time frames to monitor these intensity changes. Each gate is in turn associated with an event counter in the event counter layer, which actually performs the photon counting. Data from each event counter is delivered to a processor for data analysis.

図9の捕捉層の機構(すなわちSOMAmerが付着されるダイヤモンド層の検知表面の領域)が構築され得る、少なくとも3つの配置の例が存在し、それぞれが異なる利点を提供する。第1の例では、単一のSOMAmerは、単一のNV中心と関連しており、それが今度は単一の光検出器と関連している。このような設定は、検出の観点において利点を提供するが、NV中心のまたは単一のSOMAmerの載置の正確な制御を必要とする。この形式の構築の主な利点は、それが個々に基づく分子の検出を提供することであり、これは、アンサンブル検出で失われるであろう結合の特徴に基づく第3の次元の特異性(結合親和性および洗浄の後で)を可能にする。さらに、標的分子は1つずつ計測され得、いくつかの較正ステップを排除する。この形式の主な欠点は、異なる濃度間を区別するために多数のこのような機構が必要とされることである。濃度における桁違いの差異を分割することは、単一の分析物に対して(所定のレベルの解決に基づき)数百または数千のこのような特性機構を必要とし、装置の複雑さを増大し得る。 There are at least three example configurations in which the acquisition layer arrangement of FIG. 9 (ie, the area of the sensing surface of the diamond layer to which the SOMAmer is deposited) can be constructed, each offering different advantages. In the first example, a single SOMAmer is associated with a single NV center, which in turn is associated with a single photodetector. Such a setup offers advantages in terms of detection, but requires precise control of NV-centric or single SOMAmer placement. The main advantage of this form of construction is that it provides individual-based detection of molecules, which provides a third dimension of specificity (bond affinity and after washing). Furthermore, target molecules can be measured one by one, eliminating several calibration steps. The main drawback of this format is that a large number of such mechanisms are required to distinguish between different concentrations. Resolving orders of magnitude differences in concentration requires hundreds or thousands of such characterization mechanisms (based on a given level of resolution) for a single analyte, increasing instrument complexity. It is possible.

第2の例示的な形式の構築物は、複数のNV中心の集合に関連し、よって単一の光検出器に関連する同種の複数のSOMAmerの集合を含む。x-y面でのNV中心の無作為な分布(図9に定義される)および機構の集合におけるSOMAmerの無作為な分布は、光検出器での平均化されたシグナルをもたらし、これはより安定なはずである。ある範囲の濃度もまた、複数のSOMAmerにより、単一の光検出器で定量化され得る。しかしながら、単一のSOMAmerまたはNV中心の代わりにこのような集合を使用することは、第1の形式により可能となった第3の次元の特異性を妨げ、流体中の標的タンパク質の濃度にNV中心の応答を相関させるための較正曲線の作成を必要とする。 A second exemplary type of construct includes a homogeneous set of SOMAmers associated with a set of NV centers and thus a single photodetector. The random distribution of NV centers in the xy plane (defined in Fig. 9) and the random distribution of SOMAmers in the set of features results in an averaged signal at the photodetector, which is more It should be stable. A range of concentrations can also be quantified by multiple SOMAmers with a single photodetector. However, the use of such a collection instead of a single SOMAmer or NV center precludes the third dimension of specificity made possible by the first format, and the concentration of the target protein in the fluid depends on the NV Requires creation of a calibration curve to correlate center responses.

第3の形式の構築物は、第1の形式および第2の形式のハイブリッドであり、単一のNV中心に関連し、これが今度は単一の光検出器に関連する、同じ種類の複数のSOMAmerの集合を含む。第2の形式と同様に、ある範囲の濃度が、複数のSOMAmerにより、単一の光検出器で定量化でき、これもまた平均化されたシグナルをもたらす。単一のNV中心の使用は、より明確なシグナルをもたらし得る。無作為に分布されたNV中心は、x-y面に光学的に位置し得、その後同じ位置でSOMAmer集合を載置する。 The third type of construct is a hybrid of the first and second types, involving multiple SOMAmers of the same type, associated with a single NV center, which in turn is associated with a single photodetector. Contains the set of Similar to the second format, a range of concentrations can be quantified with multiple SOMAmers on a single photodetector, which also results in an averaged signal. Use of a single NV center may result in a clearer signal. Randomly distributed NV centers can be optically located in the xy plane and then deposit the SOMAmer set at the same location.

図10は、サンプル液中の標的分子を検出するための例示的な方法1000で行われるステップを表し、この方法の完全なプロセスまたは全てのステップを表さなくてもよい。方法1000の様々なステップが後述され、図10に表されるが、これらのステップは、必ずしも全て行われる必要はなく、場合によって同時に、または示された順序以外の異なる順序で行われ得る。 FIG. 10 depicts steps performed in an exemplary method 1000 for detecting target molecules in a sample liquid and may not represent the complete process or all steps of the method. Although various steps of method 1000 are described below and depicted in FIG. 10, these steps need not all be performed, and may optionally be performed simultaneously or in a different order other than the order shown.

ステップ1002では、本方法は、サンプル液と捕捉試薬を接触させることを含む。捕捉試薬は、表面(たとえば結晶膜または基板、または単結晶ダイヤモンドの表面)に付着され、所望の標的分子に結合するように構成される。捕捉試薬は、表面により捕捉されるか、表面に結合されるか、表面に付着されるか、表面に繋留されるか、かつ/または表面に固定されるように記載され得る。標的分子は、限定するものではないが、タンパク質などの本開示に記載される標的分子を含む、捕捉試薬と結合する性質を有するいずれかの標的分子であり得る。同様に、捕捉試薬は、いずれかの適切な捕捉剤であり得る。これは、限定するものではないが、アプタマー、核酸分子、または少なくとも1つの5位が修飾されたピリミジンを有する核酸分子(SOMAmerなど)などの、本開示に記載される捕捉試薬のいずれかを含む。いくつかの例では、少なくとも1つの5位が修飾されたウリジンおよび少なくとも1つの5位が修飾されたシチジンを含む、少なくとも2つの異なる5位が修飾されたピリミジンが、表面に付着される。 In step 1002, the method includes contacting a sample liquid with a capture reagent. The capture reagent is attached to a surface (eg, a crystalline film or substrate, or the surface of single crystal diamond) and is configured to bind to the desired target molecule. A capture reagent can be described as being captured by a surface, bound to a surface, attached to a surface, tethered to a surface, and/or immobilized to a surface. The target molecule can be any target molecule that has the property of binding the capture reagent, including, but not limited to, target molecules described in this disclosure such as proteins. Similarly, the capture reagent can be any suitable capture agent. This includes, but is not limited to, any of the capture reagents described in this disclosure, such as an aptamer, a nucleic acid molecule, or a nucleic acid molecule with at least one 5-position modified pyrimidine (such as a SOMAmer). . In some examples, at least two different 5-position modified pyrimidines are attached to the surface, including at least one 5-position modified uridine and at least one 5-position modified cytidine.

ステップ1004では、本方法は、励起光で表面近くに(たとえば結晶膜の中の固定深度で)配置された色中心を照射することを含む。励起光は、色中心により蛍光放射を(たとえば中心の波長または帯域幅の選択を介して)誘導するように構成される。いくつかの例では、色中心は、ダイヤモンド結晶の窒素-空孔中心であり、この表面は、ダイヤモンド結晶の表面である。 In step 1004, the method includes illuminating a color center located near the surface (eg, at a fixed depth within the crystal film) with excitation light. The excitation light is configured to direct fluorescence emission through the color center (eg, via selection of the wavelength or bandwidth of the center). In some examples, the color center is a nitrogen-vacancy center of a diamond crystal and the surface is a surface of the diamond crystal.

ステップ1006では、本方法は、1つ以上の検出器(たとえば、図9に関連して上述された統合された検出および処理層の光検出器)を使用して蛍光放射の強度を測定することを含む。 In step 1006, the method includes measuring the intensity of the fluorescent radiation using one or more detectors (e.g., a photodetector in the integrated detection and processing layer described above in connection with FIG. 9). including.

ステップ1008で、本方法は、蛍光放射の強度の変化を検出することを含む。捕捉試薬に対する標的分子の結合に応じた強度の変化、よって放出された強度における変化は、標的分子の存在を表す。 At step 1008, the method includes detecting a change in the intensity of the fluorescent emission. A change in intensity in response to binding of the target molecule to the capture reagent, and thus a change in emitted intensity, is indicative of the presence of the target molecule.

任意選択で、ステップ1010で、本方法は、第1の下位状態から第2の下位状態への色中心における基底状態の電子の変換を誘導できる周波数のマイクロ波の放射で色中心を照射することを含み得る。たとえば、マイクロ波の放射は、基底状態のゼロスピンの下位状態と基底状態の非ゼロスピンの下位状態との間のエネルギー差に対応する共振周波数を含み得る。ステップ1008で標的分子の結合に応じた蛍光放射の強度の変化を検出することは、測定される蛍光放射の強度とマイクロ波の放射の周波数との間の関係に基づき色中心の共振挙動を同定することをさらに含み得る。たとえば、標的分子の結合は、第1の下位状態と第2の下位状態の間の共振周波数の変化を誘導し得る。共振周波数における変化は、マイクロ波の放射の周波数を変動させつつ測定される蛍光放射の強度に基づき同定され得る。 Optionally, in step 1010, the method includes irradiating the color center with microwave radiation at a frequency capable of inducing conversion of ground state electrons in the color center from the first substate to the second substate. may include. For example, the microwave radiation may include a resonant frequency that corresponds to the energy difference between a ground state zero spin substate and a ground state non-zero spin substate. Detecting the change in the intensity of the fluorescent emission in response to binding of the target molecule in step 1008 identifies the resonant behavior of the color center based on the relationship between the measured intensity of the fluorescent emission and the frequency of the microwave emission. The method may further include: For example, binding of a target molecule may induce a change in resonant frequency between the first substate and the second substate. Changes in the resonant frequency can be identified based on the intensity of the fluorescent radiation measured while varying the frequency of the microwave radiation.

図11は、標的分子の濃度を測定するための例示的な方法1100で行われるステップを表し、この方法の完全なプロセスまたは全てのステップを表さなくてもよい。方法1100の様々なステップが後述され、図11に表されるが、これらのステップは必ずしも行われる必要がなく、場合により、同時に、または示された順序以外の異なる順序で行われ得る。 FIG. 11 depicts steps performed in an exemplary method 1100 for measuring the concentration of a target molecule and may not represent the complete process or all steps of the method. Although various steps of method 1100 are described below and depicted in FIG. 11, these steps do not necessarily have to be performed, and may optionally be performed simultaneously or in a different order than the one shown.

ステップ1102で、本方法は、結晶膜(たとえば特にダイヤモンド膜)の表面に流体を曝露して、表面に付着されている捕捉試薬を、流体内の標的分子(たとえば特にタンパク質)に結合させるステップを含む。結晶膜は、窒素-空孔中心または他の適切な欠陥などの、少なくとも1つの色中心を含む。 In step 1102, the method includes exposing a fluid to a surface of a crystalline film (e.g., particularly a diamond film) to cause a capture reagent attached to the surface to bind to target molecules (e.g., particularly proteins) within the fluid. include. The crystalline film includes at least one color center, such as a nitrogen-vacancy center or other suitable defect.

ステップ1104で、本方法は、膜内の少なくとも1つの色中心からの蛍光放射を誘導するように構成された励起光で結晶膜を照射することを含む。任意選択で、ステップ1104は、第1の下位状態から第2の下位状態への色中心での基底状態の電子の変換を誘導できる周波数を有するマイクロ波の放射で色中心を照射することを含む。 At step 1104, the method includes irradiating the crystalline film with excitation light configured to induce fluorescence emission from at least one color center within the film. Optionally, step 1104 includes irradiating the color center with microwave radiation having a frequency capable of inducing a conversion of ground state electrons at the color center from the first substate to the second substate. .

ステップ1106で、本方法は、蛍光放射に基づき色中心の性質における変化を検出することを含む。色中心における性質の変化は、捕捉試薬による標的分子の結合に応じて生じる。いくつかの例では、捕捉試薬は、標的分子と捕捉試薬の間の結合が色中心で磁場を変えるように、磁気スピンラベルを含む。色中心における性質の変化は、少なくとも部分的に、磁場の変化によりもたらされ得る。 At step 1106, the method includes detecting a change in the properties of the color center based on the fluorescence emission. A change in properties at the color center occurs upon binding of the target molecule by the capture reagent. In some examples, the capture reagent includes a magnetic spin label such that binding between the target molecule and the capture reagent alters the magnetic field at the color center. Changes in properties at color centers can be brought about, at least in part, by changes in the magnetic field.

ステップ1108で、本方法は、検出される色中心における性質の変化に基づき流体内の標的分子の濃度を決定することを含む。たとえば、検出された変化の特徴は、膜の表面へと捕捉試薬により結合された標的分子の数または近似数を表し得、流体内の標的分子の濃度は、標的分子の数および流体の体積から推定され得る。 At step 1108, the method includes determining a concentration of target molecules within the fluid based on the detected property change in the color center. For example, the detected change signature may represent the number or approximate number of target molecules bound by the capture reagent to the surface of the membrane, and the concentration of target molecules within the fluid may be determined from the number of target molecules and the volume of the fluid. It can be estimated.

図12は、標的分子を検出するための例示的な方法1200で行われるステップを表し、この方法の完全なプロセスまたは全てのステップを表さなくてもよい。方法1200の様々なステップが後述され、図12に表されるが、これらのステップは必ずしも行われる必要がなく、場合により、同時に、または示された順序以外の異なる順序で行われ得る。 FIG. 12 depicts steps performed in an exemplary method 1200 for detecting a target molecule and may not represent the complete process or all steps of the method. Although various steps of method 1200 are described below and depicted in FIG. 12, these steps do not necessarily have to be performed, and may optionally be performed simultaneously or in a different order than the order shown.

ステップ1202で、本方法は、基板の表面に付着されている捕捉試薬がサンプル液に存在すると予測される標的分子に結合できるように、結晶基板(たとえばダイヤモンド膜)をサンプル液に曝露することを含む。結晶基板は、ダイヤモンド中の窒素-空孔中心などの、少なくとも1つの色中心を含む。標的分子は、タンパク質、または本開示のいずれかに記載される他のいずれかの標的分子であり得る。同様に、捕捉試薬は、所望の標的分子に特異的に結合するのに適したいずれかの分子であり得、アプタマー、SOMAmerなどを含み得る。いくつかの例では、捕捉試薬は、少なくとも2つの明らかに異なる5位が修飾されたピリミジンを含むアプタマーである。 In step 1202, the method includes exposing a crystalline substrate (e.g., a diamond film) to a sample liquid such that a capture reagent attached to a surface of the substrate can bind target molecules predicted to be present in the sample liquid. include. The crystalline substrate includes at least one color center, such as a nitrogen-vacancy center in diamond. The target molecule can be a protein or any other target molecule described elsewhere in this disclosure. Similarly, the capture reagent can be any molecule suitable for specifically binding the desired target molecule, and can include aptamers, SOMAmers, and the like. In some examples, the capture reagent is an aptamer that includes at least two distinctly different 5-position modified pyrimidines.

ステップ1204で、本方法は、電磁放射線で結晶基板を照射することを含む。電磁放射線は、結晶基板内の色中心により蛍光を刺激または誘導するように構成される。中心周波数、帯域幅、強度、パルスエネルギー、パルス持続期間、および/または分極を含む、電磁放射線の特徴は、少なくとも部分的に、放出された蛍光の特徴を決定するように設計され得る。 At step 1204, the method includes irradiating the crystal substrate with electromagnetic radiation. The electromagnetic radiation is configured to stimulate or induce fluorescence due to color centers within the crystal substrate. Characteristics of the electromagnetic radiation, including center frequency, bandwidth, intensity, pulse energy, pulse duration, and/or polarization, can be designed to, at least in part, determine the characteristics of the emitted fluorescence.

ステップ1206で、本方法は、たとえば1つ以上の光検出器により、色中心により放出される蛍光を検出することを含む。 At step 1206, the method includes detecting fluorescence emitted by the color center, eg, with one or more photodetectors.

ステップ1208で、本方法は、サンプル液由来の1つ以上の標的分子を捕捉試薬に結合することによりもたらされる1つ以上の色中心の性質における変化を同定することを含む。たとえば、この変化を同定することは、色中心により放出される放射線のスペクトルにおける変化を同定すること、たとえば色中心により放出される蛍光放射線を検出することを含み得、放出される蛍光の強度、一時的なバリエーション、またはスペクトルにおける変化を同定することを含み得る。 At step 1208, the method includes identifying a change in the properties of one or more color centers resulting from binding one or more target molecules from the sample liquid to a capture reagent. For example, identifying this change may include identifying a change in the spectrum of radiation emitted by the color center, such as detecting fluorescent radiation emitted by the color center, the intensity of the emitted fluorescence; It may include identifying temporal variations, or changes in the spectrum.

図13は、サンプル液におけるタンパク質分子の存在を検出するための装置を製造するための例示的な方法1300のステップを表し、この方法の完全なプロセスまたは全てのステップを表さなくてもよい。方法1300の様々なステップが後述され、図13に表されるが、これらのステップは必ずしも行われる必要がなく、場合により、同時に、または示された順序以外の異なる順序で行われ得る。方法1300の態様は、たとえば、図9に表される統合されたバイオチップを製造するために使用され得る。 FIG. 13 depicts steps of an exemplary method 1300 for manufacturing a device for detecting the presence of protein molecules in a sample liquid, and may not represent the complete process or all steps of the method. Although various steps of method 1300 are described below and depicted in FIG. 13, these steps do not necessarily have to be performed, and may optionally be performed simultaneously or in a different order than the order shown. Aspects of method 1300 can be used, for example, to fabricate the integrated biochip depicted in FIG. 9.

ステップ1302で、本方法は、たとえば化学蒸着により、結晶膜を製作することを含む。たとえば、12Cを多く含むダイヤモンド膜が、ダイヤモンド基板上でのメタンおよび水素ガスの混合物のプラズマCVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)により生産され得る。 At step 1302, the method includes fabricating a crystalline film, such as by chemical vapor deposition. For example, 12 C-rich diamond films can be produced by plasma-enhanced chemical vapor deposition (CVD) of a mixture of methane and hydrogen gases on a diamond substrate.

ステップ1304で、本方法は、結晶膜中に置換原子を埋め込むことを含む。置換原子は、色中心を形成するために結晶膜中の空孔と共に配置することに適している。 At step 1304, the method includes embedding replacement atoms in the crystalline film. Substitute atoms are suitable for placement with vacancies in the crystal film to form color centers.

1306で、たとえば膜上でイオンビームおよび/または電子ビームを衝突させることにより、空孔が結晶膜中に作製される。 At 1306, vacancies are created in the crystalline film, such as by bombarding the film with an ion beam and/or an electron beam.

ステップ1308で、本方法は、少なくとも一部の空孔と少なくとも一部の置換原子を共に配置させることにより、結晶膜中に色中心を作製することを含む。置換原子および空孔を共に配置することは、たとえば、高温でまたは他のいずれかの適切なプロセスにより、膜を焼きなますことを含み得る。 At step 1308, the method includes creating color centers in the crystalline film by co-locating at least some of the vacancies and at least some of the replacement atoms. Co-locating substitution atoms and vacancies may include annealing the film, eg, at high temperature or by any other suitable process.

ステップ1310で、本方法は、結晶膜上の第1の表面に捕捉試薬を付着させることを含む。ステップ1310は、結晶膜の表面の一部の領域に捕捉試薬を付着させ、望ましくないタンパク質による非特異的な結合に対し捕捉試薬と結合していない表面の領域を不動態化することを含み得る。捕捉試薬を付着させ表面の他の領域を不動態化することは、特定の標的分子への結合のための活性基を含む不動態化分子の一部を用いて、表面に不動態化分子(たとえば親水性ポリマー)を結合させることにより達成され得る。たとえば、不動態化した分子の一部は、表面に結合するように構成された第1の端部、およびDNAまたは他の標的分子に結合するように構成された活性基を有する第2の端部を有し得る。 At step 1310, the method includes depositing a capture reagent on a first surface on the crystalline film. Step 1310 may include attaching a capture reagent to some regions of the surface of the crystalline membrane and passivating regions of the surface not bound to the capture reagent against non-specific binding by unwanted proteins. . Attaching the capture reagent and passivating other areas of the surface involves attaching the passivating molecule ( For example, this can be achieved by bonding a hydrophilic polymer). For example, a portion of the passivated molecule may have a first end configured to bind to a surface and a second end having an active group configured to bind to DNA or other target molecules. may have a section.

ステップ1312で、本方法は、光検出器が色中心からの放出を検出できるように、結晶膜の第2の表面に光検出器を付着させることを含む。光検出器は、リソグラフィーを使用して製作されてよく、光学的に透明であり機械的に厳格な接着剤を使用して結晶膜に接着されてよい。いくつかの例では、フィルター層(たとえばフィルター層904)は、光検出器と膜との間に含まれる。 At step 1312, the method includes attaching a photodetector to the second surface of the crystalline film such that the photodetector can detect emission from the color center. The photodetector may be fabricated using lithography and bonded to the crystal film using an optically transparent and mechanically stringent adhesive. In some examples, a filter layer (eg, filter layer 904) is included between the photodetector and the membrane.

サンプル液中の標的分子の濃度を測定するための典型的な検出スキームは、少なくとも1つの色中心による蛍光放射の強度を測定すること、捕捉試薬に対する少なくとも1つの標的分子の結合に応じた蛍光放射の変化を同定すること、および同定した変化に基づきサンプル液中の標的分子の濃度を決定することを含む。たとえば、図7に表される窒素空孔中心の励起および放出の態様は、緩和時間Tが完全に光学的な方法によりモニタリングされる例示的な方法に含まれ得る。Tは、励起光でNV中心を照射することにより、基底のスピン状態をm=0の下位レベルに分極することにより測定される。図4に示されるように、m=±1の下位レベルから励起された電子のフラクションは、ダーク遷移を介して基底状態に戻り、これによりm=0の下位レベルへの遷移を経て、最大強度を提供する。Tは、励起を介した分極が中断された後の蛍光強度を周期的にモニタリングし、どの程度早く基底状態が完全に偏極していない状態に戻るかを見ることにより決定される。尿中のタンパク質を測定するための例示的な方法は、同時にまたは示される順序以外の異なる順序で行われ得る、以下のステップを含む。
1.目的のタンパク質の既知の濃度を含む尿の複数の較正サンプルを調製する。
2.これらの較正サンプルをダイヤモンド層の検知表面にわたり流し、タンパク質に、付着されたSOMAmerに結合するための十分な機会を提供し、任意選択でサンプル液を再循環させる。
3.洗浄液をダイヤモンド層の流体接触表面にわたり流し、洗浄液に、SOMAmerに対し非特異的な形式で結合する分子を除去するための十分な機会を提供し、任意選択で洗浄液を再循環させる。
4.NV中心を、各パルスがNV中心のm=0の状態への完全な分極をもたらすために十分に長い持続期間を有する、一連の励起光のパルスで照射する。これら励起パルス間の時間間隔τは変動する。
5.各励起パルスの起動の直後の蛍光強度、およびスピン状態がm=0の下位レベルに完全に偏極される際の各励起パルスの末端を対象として採用される参照強度を測定する。
6.対応する参照強度で各励起パルスの起動時の蛍光強度を除算することにより正規化した強度を計算する。
7.各較正サンプルの応答プロットを、パルスpの直前の間隔時間tに対する各パルスpの参照強度をプロットすることにより、作製する。
8.各較正サンプルの緩和時間Tを、形態正規化強度(form normalized intensity)=I*exp(-τ/T)の減衰する指数関数を適合することにより見出す。
9.タンパク質濃度vsTの較正曲線を作成する。
10.応答プロットを作製するために、ステップ(2)~(8)を、較正サンプルの代わりに目的のサンプルを使用して反復する。
11.ステップ9の較正曲線を適用して目的の各サンプルのタンパク質濃度を決定する。
A typical detection scheme for determining the concentration of a target molecule in a sample liquid is to measure the intensity of the fluorescence emission due to at least one color center, the fluorescence emission in response to the binding of at least one target molecule to a capture reagent. and determining the concentration of the target molecule in the sample liquid based on the identified change. For example, the excitation and emission aspects of the nitrogen vacancy center depicted in FIG. 7 may be included in an exemplary method in which the relaxation time T 1 is monitored entirely by optical methods. T 1 is measured by polarizing the ground spin state to a level below m s =0 by illuminating the NV center with excitation light. As shown in Fig. 4, the fraction of electrons excited from the lower level with m s = ±1 returns to the ground state via a dark transition, which then undergoes a transition to the lower level with m s =0. Provide maximum strength. T 1 is determined by periodically monitoring the fluorescence intensity after excitation-mediated polarization is discontinued and seeing how quickly the ground state returns to a fully unpolarized state. An exemplary method for measuring protein in urine includes the following steps, which may be performed simultaneously or in a different order than the order shown.
1. Prepare multiple calibration samples of urine containing known concentrations of the protein of interest.
2. These calibration samples are flowed over the sensing surface of the diamond layer, providing sufficient opportunity for proteins to bind to the attached SOMAmer, and optionally recirculating the sample liquid.
3. A wash solution is flowed over the fluid-contacting surface of the diamond layer, providing the wash solution with sufficient opportunity to remove molecules that bind in a non-specific manner to SOMAmer, and optionally the wash solution is recirculated.
4. The NV center is irradiated with a series of pulses of excitation light, each pulse having a duration long enough to result in complete polarization of the NV center to the m s =0 state. The time interval τ i between these excitation pulses varies.
5. The fluorescence intensity immediately after the firing of each excitation pulse is measured, as well as the reference intensity taken towards the end of each excitation pulse when the spin state is fully polarized to a level below m s =0.
6. Calculate the normalized intensity by dividing the fluorescence intensity at the start of each excitation pulse by the corresponding reference intensity.
7. A response plot for each calibration sample is created by plotting the reference intensity of each pulse p i against the interval time t i immediately preceding pulse p i.
8. The relaxation time T 1 for each calibration sample is found by fitting a decaying exponential function of form normalized intensity = I 0 *exp(-τ/T 1 ).
9. Create a calibration curve of protein concentration vs. T1 .
10. To generate a response plot, steps (2)-(8) are repeated using the sample of interest instead of the calibration sample.
11. Apply the calibration curve of step 9 to determine the protein concentration for each sample of interest.

さらなる方法は、たとえば図8に示されるシステムを含み得る。スピン状態の光学的な検出が好ましいが、マイクロ波の励起の追加および静的な場の導入は、スピン状態を操作するための従来のEPR由来の全ての技術を広げる。これらの例(たとえばハーンエコー、DEERなど)は上述されている。結合した分析物の検出を最適化するために選択され得る当該分野でよく知られている技術を介する追加的なスピン操作のステップを加えた、上記方法に関する多数のバリエーションが存在する。 Further methods may include the system shown in FIG. 8, for example. Although optical detection of spin states is preferred, the addition of microwave excitation and the introduction of static fields extends all conventional EPR-derived techniques for manipulating spin states. Examples of these (eg Hahn echo, DEER, etc.) are discussed above. There are many variations on the above method, with the addition of an additional spinning step via techniques well known in the art, which may be selected to optimize detection of bound analyte.

所定の例は、サンプル液として尿または血液(血清もしくは結晶)に主に焦点を当てているが、本技術に係るバイオチップは、様々な生体液または、たとえば希釈によるこれらに由来する溶液で機能し得る。これらは、限定するものではないが、血液、血漿、血清、尿、精液、唾液、髄膜液、羊膜液、腺液、リンパ液、乳頭吸引液、気管支吸引液、滑液、関節吸引液、白血球、末梢血単核細胞、痰、息、細胞、細胞抽出物、糞便、組織、組織抽出物、組織生検、および脳脊髄液を含む。 Although the given examples mainly focus on urine or blood (serum or crystals) as sample fluids, biochips according to the present technology can work with various biological fluids or solutions derived from these, e.g. by dilution. It is possible. These include, but are not limited to, blood, plasma, serum, urine, semen, saliva, meningeal fluid, amniotic fluid, glandular fluid, lymph, nipple aspirate, bronchial aspirate, synovial fluid, joint aspirate, and white blood cells. , peripheral blood mononuclear cells, sputum, breath, cells, cell extracts, feces, tissues, tissue extracts, tissue biopsies, and cerebrospinal fluid.

例示的な組み合わせおよび追加的な実施例
このセクションは、一連の段落として限定することなく提示される、プロテオームアッセイのさらなる態様および機構を記載し、これら全てのうちのいくつかは、明良性および効率性のためにアルファベット順に表され得る。これらの段落はそれぞれ、1つ以上の他の段落、および/または参照文献により組み込まれるいずれかの物質を含む本出願のいずれかでの開示と、任意の適切な方法で組み合わせられ得る。以下の段落の一部は、明らかに他の段落を参照しかつ他の段落をさらに限定し、限定するものではないがいくつかの適切な組み合わせの例を提供している。
Exemplary Combinations and Additional Examples This section describes further aspects and mechanisms of proteomic assays, presented without limitation as a series of paragraphs, some of which may improve clarity and efficiency. May be presented alphabetically for gender. Each of these paragraphs may be combined in any suitable manner with one or more other paragraphs and/or the disclosure elsewhere in this application, including any material incorporated by reference. Some of the following paragraphs explicitly refer to and further limit other paragraphs and provide examples, but are not limiting, of some suitable combinations.

A.流体中の1つ以上の種の標的分子の検出のための装置であって、
a)表面を有する固体の支持体と、
b)上記表面に付着される1つ以上の種の捕捉試薬であって、
c)各種の捕捉試薬が、特定の種の標的分子に選択的に結合する、捕捉試薬と、
d)固体の支持体の表面近くに位置した色中心と、
e)上記捕捉試薬へのタンパク質分子の結合の際に色中心の性質における変化を検出するための検出器
を含む、装置。
A. An apparatus for the detection of one or more species of target molecules in a fluid, the apparatus comprising:
a) a solid support having a surface;
b) a capture reagent of one or more species attached to the surface,
c) capture reagents, each of which selectively binds to a specific species of target molecule;
d) a color center located near the surface of the solid support;
e) A device comprising a detector for detecting a change in the properties of a color center upon binding of a protein molecule to said capture reagent.

A1.上記流体が、生体液を含み、上記標的分子が、タンパク質である、段落Aに記載の装置。 A1. The device of paragraph A, wherein the fluid comprises a biological fluid and the target molecule is a protein.

A2.上記捕捉試薬が、アプタマーである、段落A1に記載の装置。 A2. The device according to paragraph A1, wherein the capture reagent is an aptamer.

A3.上記アプタマーが、核酸分子である、段落A2に記載の装置。 A3. The device according to paragraph A2, wherein the aptamer is a nucleic acid molecule.

A4.核酸分子の少なくとも一部が、少なくとも1つの5位が修飾されたピリミジンを有する、段落A3に記載の装置。 A4. The device according to paragraph A3, wherein at least a portion of the nucleic acid molecule has at least one pyrimidine modified at the 5-position.

A5.上記固体の支持体が、ダイヤモンド結晶であり、上記色中心が、窒素-空孔中心である、段落A4に記載の装置。 A5. The device according to paragraph A4, wherein the solid support is a diamond crystal and the color center is a nitrogen-vacancy center.

A6.上記検出器が、第1の範囲の波長の放射線で窒素-空孔中心を照射し第2の範囲の波長を検出する、光学的システムである、段落A5に記載の装置。 A6. The apparatus of paragraph A5, wherein the detector is an optical system that illuminates the nitrogen-vacancy center with radiation of a first range of wavelengths and detects a second range of wavelengths.

A7.光源が、パルス状の光源である、段落A6に記載の装置。 A7. The apparatus according to paragraph A6, wherein the light source is a pulsed light source.

A8.上記窒素-空孔中心の性質における変化が、上記窒素空孔中心の磁気共鳴の性質における変化である、段落A7に記載の装置。 A8. The apparatus of paragraph A7, wherein the change in the nature of the nitrogen-vacancy center is a change in the magnetic resonance nature of the nitrogen-vacancy center.

A9.磁場を提供するための磁場供給源をさらに含む、段落A8に記載の装置。 A9. The apparatus of paragraph A8, further comprising a magnetic field source for providing a magnetic field.

A10.マイクロ波の放射を提供するためのマイクロ波供給源をさらに含む、段落A9に記載の装置。 A10. The apparatus of paragraph A9, further comprising a microwave source for providing microwave radiation.

A11.上記マイクロ波供給源が、上記窒素-空孔中心の電子の基底状態の下位レベルと共振する周波数に調節される、段落A10に記載の装置。 A11. The apparatus of paragraph A10, wherein the microwave source is tuned to a frequency that resonates with a lower level of the electron ground state of the nitrogen-vacancy center.

A12.上記マイクロ波供給源が、パルス状の供給源である、段落A11に記載の装置。 A12. The apparatus of paragraph A11, wherein the microwave source is a pulsed source.

A13.上記固体の支持体の表面が、単結晶ダイヤモンドの{111}表面である、段落A5に記載の装置。 A13. The device according to paragraph A5, wherein the surface of the solid support is a {111} surface of single crystal diamond.

A14.上記固体の支持体の表面が、単結晶ダイヤモンドの{100}表面である、段落A5に記載の装置。 A14. The device according to paragraph A5, wherein the surface of the solid support is a {100} surface of single crystal diamond.

上記窒素-空孔中心が、25ナノメートルのダイヤモンド結晶の表面内に配置される、段落A5に記載の装置。 The apparatus of paragraph A5, wherein the nitrogen-vacancy center is located within the surface of a 25 nanometer diamond crystal.

A16.上記核酸分子が、スピンラベルをさらに含む、段落A7に記載の装置。 A16. The apparatus of paragraph A7, wherein the nucleic acid molecule further comprises a spin label.

A17.上記核酸分子が、スピンラベルをさらに含む、段落A12に記載の装置。 A17. The apparatus according to paragraph A12, wherein the nucleic acid molecule further comprises a spin label.

B.サンプル液中の単一または複数の分析物を同時に定量化するための装置であって、
a)1つの面が上記サンプル液と接触し、上記流体と接触する表面から5~25ナノメートル離れた色中心欠陥を含む、薄い結晶層と、
b)結合剤への分析物の結合が、色中心欠陥に対し外部の局所的な磁場に影響を与え、それにより上記色中心欠陥の挙動を検出可能に変えるように、(a)に記載される色中心欠陥のすぐ近くにある結晶層の流体と接触する表面に付着される捕捉剤と、
c)上記色中心欠陥の挙動における変化を検出する手段
を含む、装置。
B. An apparatus for simultaneously quantifying single or multiple analytes in a sample liquid, the apparatus comprising:
a) a thin crystalline layer with one side in contact with the sample liquid and containing a color center defect 5 to 25 nanometers from the surface in contact with the fluid;
b) as described in (a), such that binding of the analyte to the binding agent influences a local magnetic field external to the color center defect, thereby detectably altering the behavior of said color center defect; a scavenger deposited on the fluid-contacting surface of the crystalline layer in the immediate vicinity of the color-centered defect;
c) An apparatus comprising means for detecting a change in the behavior of said color center defect.

B1.上記色中心欠陥の挙動における変化が、蛍光における変化を含み、上記蛍光における変化を検出する手段が、
a)励起光または他の光を排除しつつ、色中心欠陥からの蛍光放射を通すための、結晶層の非接触表面に結合される光学的フィルター層と、
b)強度を含む、色中心欠陥により放出される蛍光の捕捉および定量化のための、上記結晶層とは反対側で光学的フィルター層に結合される、検出層と、
c)色中心欠陥が蛍光を放出するように刺激されるように、励起光を結晶層に導入するための手段
を含む、段落Bに記載の装置。
B1. The change in behavior of the color center defect includes a change in fluorescence, and the means for detecting the change in fluorescence comprises:
a) an optical filter layer coupled to a non-contact surface of the crystal layer for passing fluorescent radiation from the color center defect while excluding excitation light or other light;
b) a detection layer coupled to an optical filter layer on the side opposite said crystal layer for the capture and quantification of fluorescence emitted by color center defects, including intensity;
c) An apparatus according to paragraph B, comprising means for introducing excitation light into the crystal layer such that the color center defects are stimulated to emit fluorescence.

B2.上記励起光を結晶層に導入するための手段が、上記励起光が上記結晶層の流体と接触する表面に平行な方向で移動するように、上記結晶層の端を介して当該光の導入を行う、段落B1に記載の装置。 B2. Means for introducing said excitation light into a crystalline layer directs the introduction of said light through an edge of said crystalline layer such that said excitation light travels in a direction parallel to the fluid contacting surface of said crystalline layer. Apparatus according to paragraph B1 for carrying out.

B3.上記色中心欠陥の挙動における変化が、蛍光における変化を含み、上記蛍光における変化を検出する手段が、
a)励起光または他の光を排除しつつ色中心欠陥からの蛍光放射を通すための、結晶層の非接触表面に結合された、光学的フィルターを任意選択で含む光学的導波管と、
b)強度を含む、色中心の欠陥により放出される蛍光の捕捉および定量化のための、上記結晶層からの光学的導波管の反対側で位置した、検出層と、
c)色中心欠陥が蛍光を放出するように刺激されるような、励起光を結晶層に導入するための手段
を含む、段落Bに記載の装置。
B3. The change in behavior of the color center defect includes a change in fluorescence, and the means for detecting the change in fluorescence comprises:
a) an optical waveguide, optionally including an optical filter, coupled to a non-contacting surface of the crystal layer, for passing fluorescent radiation from the color center defect while excluding excitation light or other light;
b) a detection layer located on the opposite side of the optical waveguide from said crystalline layer for the capture and quantification of the fluorescence emitted by the color-centered defects, including the intensity;
c) The apparatus according to paragraph B, comprising means for introducing excitation light into the crystal layer such that the color center defects are stimulated to emit fluorescence.

B4.上記色中心欠陥の挙動における変化が、上記色中心欠陥に対し局所的な電場または磁場における変化を含み、この電場または磁場における変化を検出する手段が、電子的または光電子的な検出器を含む、段落Bに記載の装置。 B4. the change in behavior of the color center defect comprises a change in an electric or magnetic field local to the color center defect, and the means for detecting the change in the electric or magnetic field comprises an electronic or optoelectronic detector; Apparatus according to paragraph B.

B5.色中心欠陥の共振挙動に影響を与えかつ/またはそれをモニタリングするための、マイクロ波の放射を結晶層に導入するための手段をさらに含む、段落B1に記載の装置。 B5. Apparatus according to paragraph B1, further comprising means for introducing microwave radiation into the crystal layer for influencing and/or monitoring the resonant behavior of the color center defects.

B6.共振挙動を修正するための、色中心欠陥を含む領域にわたり一定のまたは様々な磁場を課すための手段を含む、段落B5に記載の装置。 B6. Apparatus according to paragraph B5, comprising means for imposing a constant or varying magnetic field over the region containing the color center defect to modify the resonance behavior.

B7.上記薄い結晶層がダイヤモンド膜であり、上記色中心欠陥が窒素-空孔中心である、段落B5に記載の装置。 B7. The apparatus of paragraph B5, wherein the thin crystalline layer is a diamond film and the color center defect is a nitrogen-vacancy center.

B8.上記装置が、複数回の使用のために再生され得る、段落B7に記載の装置。 B8. The device of paragraph B7, wherein the device can be refurbished for multiple uses.

B9.上記分析物に特異的な結合剤が、色中心欠陥に対し外部の局所的な磁場上での上記分析物の結合の際に作用を増大させるための磁気スピンラベルに結合され、それにより上記色中心欠陥の挙動を検出可能なように変える、段落B8に記載の装置。 B9. A binding agent specific for the analyte is attached to a magnetic spin label for increasing the action upon binding of the analyte on a local magnetic field external to the color center defect, thereby The apparatus of paragraph B8, which detectably alters the behavior of the central defect.

B10.上記分析物に特異的な結合剤が、アプタマーまたはSOMAmerである、段落B9に記載の装置。 B10. The device according to paragraph B9, wherein the analyte-specific binding agent is an aptamer or a SOMAmer.

B11.上記光学的なフィルター層が、2色性バンドパスフィルターを形成するために層状化された誘電膜から構成される、段落B9に記載の装置。 B11. The apparatus of paragraph B9, wherein the optical filter layer is comprised of a dielectric film layered to form a dichroic bandpass filter.

B12.上記検出層が、上記光学的なフィルター層と即座に接触するCMOSアバランシェ光検出器から構成され、上記光検出器からのシグナルが、高速の電子ゲートを通り、上記高速のゲートを通るシグナルが、イベントカウンターへと通され、イベントカウンターにより収集された結果として得られるデータが、分析のためプロセッサに送達される、段落B9に記載の装置。 B12. The detection layer comprises a CMOS avalanche photodetector in immediate contact with the optical filter layer, the signal from the photodetector passes through a fast electronic gate, and the signal passing through the fast gate The apparatus of paragraph B9, wherein the device is passed to an event counter and the resulting data collected by the event counter is delivered to a processor for analysis.

B13.上記繋留されたSOMAmerの集合が、特異的な分析物に対するそれらの特異性において同一であり、個別の光検出器により捕捉される蛍光を集合的に放出する上記窒素-空孔中心の集合と測定可能な方法で相互作用する、段落B9に記載の装置。 B13. The collection of tethered SOMAmers is identical in their specificity for a specific analyte and is measured with the collection of nitrogen-vacancy centers that collectively emit fluorescence that is captured by individual photodetectors. The apparatus according to paragraph B9, interacting in a possible manner.

B14.上記SOMAmerの集合が、単一の分子からなり、上記窒素-空孔中心の集合が、単一の中心からなる、段落B13に記載の装置。 B14. The device according to paragraph B13, wherein the collection of SOMAmers consists of a single molecule, and the collection of nitrogen-vacancy centers consists of a single center.

B15.上記SOMAmerの集合が、同じ分析物に対し同一に特異的な複数の分子からなり、上記窒素-空孔中心の集合が、単一の中心からなる、段落B13に記載の装置。 B15. The device of paragraph B13, wherein the collection of SOMAmers consists of molecules that are identically specific for the same analyte, and the collection of nitrogen-vacancy centers consists of a single center.

B16.複数の上記繋留されたSOMAmerの集合が存在し、それぞれの上記集合が、異なる分析物に特異的である、段落B13に記載の装置。 B16. The device of paragraph B13, wherein there is a plurality of said collections of tethered SOMAmers, each said collection being specific for a different analyte.

B17.上記繋留されたSOMAmerの集合の数が、100~10,000である、段落B16に記載の装置。 B17. The apparatus according to paragraph B16, wherein the number of the set of tethered SOMAmers is between 100 and 10,000.

B18.必要に応じて上記流体を再循環させるための手段を含む、ダイヤモンド層の流体と接触する表面に流体を配向付けるための手段が含まれ、上記流体が、
a)サンプル液と、
b)上記SOMAmerまたは上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に非特異的な形式で結合する分子を除去するために使用される洗浄液と、
c)上記SOMAmerまたは上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に対して損傷または変性を引き起こすことなく、上記SOMAmerまたは上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に特異的かつ非特異的な両方の形式で結合する分子を除去するために使用される再生液
を含む、段落B13に記載の装置。
B18. means for directing the fluid to the fluid-contacting surface of the diamond layer, including means for recirculating the fluid as necessary;
a) sample liquid;
b) a cleaning solution used to remove molecules that bind in a non-specific manner to the fluid contacting surface of the SOMAmer or the diamond layer;
c) binding both specifically and non-specifically to the fluid-contacting surface of the SOMAmer or the diamond layer without causing damage or modification to the fluid-contacting surface of the SOMAmer or the diamond layer; The apparatus of paragraph B13, comprising a regeneration liquid used to remove molecules that cause

B19.上記サンプル液が、ヒト対象由来の生体液である、段落B18に記載の装置。 B19. The device of paragraph B18, wherein the sample fluid is a biological fluid derived from a human subject.

B20.上記生体液が、尿である、段落B19に記載の装置。 B20. The device according to paragraph B19, wherein the biological fluid is urine.

B21.上記装置が、トイレ、便器、または尿の容器内に含まれ、それにより上記トイレ、便器、または尿の容器からの尿の捕捉および分析を可能にするように設計される、段落B20に記載の装置。 B21. According to paragraph B20, the device is designed to be contained within a toilet, urinal, or urine container, thereby allowing capture and analysis of urine from the toilet, urinal, or urine container. Device.

B22.上記装置により作成されたデータを、可能性のある疾患状態の診断のためのプロテオミクスのデータベースと比較する、段落B21に記載の装置。 B22. The device of paragraph B21, wherein the data generated by the device is compared to a proteomics database for the diagnosis of possible disease states.

B23.分析物の濃度が、記載される方法:
a)上記分析物の既知の濃度を含む流体の複数の較正サンプルを調製することと、
b)任意選択で上記較正サンプル液の再循環を含む、上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に上記較正サンプルを方向付けること、および上記繋留されたSOMAmerに結合するために十分な機会を上記分析物に提供することと、
c)上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に上記洗浄液を方向付けることであって、上記洗浄液に、上記SOMAmerに非特異的な形式で結合する分子を除去するための十分な機会を与え、当該機会が任意選択で、上記洗浄液の再循環を含む、方向付けることと、
d)励起光で上記窒素―空孔中心を照射することであって、上記光が、上記窒素-空孔中心の蛍光放射を誘導する周波数を含む、照射すること、および上記蛍光放射強度を測定することと、
e)マイクロ波の放射で上記窒素-空孔中心を照射することであって、上記マイクロ波の放射の周波数が、0のスピン状態から±1のスピン状態への上記窒素-空孔中心での基底状態の電子の変換を誘導する共振周波数を含むと予測される範囲にわたり変動する、照射することと、
f)上記それぞれの較正サンプルに関して、上記蛍光放射強度対上記マイクロ波の放射の周波数のプロットを作成することと、
g)分析物濃度対(f)からの上記較正サンプルのプロットのいくつかの選択された特徴の較正曲線を作成することと、
h)(f)でのようにプロットを作成するために、較正サンプルの代わりに目的のサンプルを使用して、ステップ(b)~(f)を反復することと、
i)ステップ(f)の較正曲線を適用して、上記目的のサンプルのそれぞれの分析物の濃度を決定すること
に従い上記サンプル液中で測定される、段落B18に記載の装置。
B23. How the analyte concentration is described:
a) preparing a plurality of calibration samples of a fluid containing known concentrations of the analyte;
b) directing the calibration sample to a fluid-contacting surface of the diamond layer, optionally including recirculation of the calibration sample liquid, and providing sufficient opportunity for binding to the tethered SOMAmer for the analysis; to provide something;
c) directing the cleaning solution onto the fluid-contacting surface of the diamond layer, giving the cleaning solution sufficient opportunity to remove molecules that bind to the SOMAmer in a non-specific manner; directing the opportunity, optionally including recirculation of the cleaning solution;
d) irradiating said nitrogen-vacancy center with excitation light, said light comprising a frequency that induces fluorescence emission of said nitrogen-vacancy center, and measuring said fluorescence emission intensity; to do and
e) irradiating the nitrogen-vacancy center with microwave radiation, the frequency of the microwave radiation changing the nitrogen-vacancy center from a spin state of 0 to a spin state of ±1; irradiating, varying over a range predicted to include a resonant frequency that induces conversion of ground state electrons;
f) creating a plot of the fluorescence radiation intensity versus the frequency of the microwave radiation for each of the calibration samples;
g) creating a calibration curve of some selected features of the plot of said calibration sample from analyte concentration versus (f);
h) repeating steps (b) to (f) using the sample of interest instead of the calibration sample to produce a plot as in (f);
The apparatus of paragraph B18, wherein: i) the calibration curve of step (f) is applied to determine the concentration of each analyte of the sample of interest measured in the sample liquid.

B24.上記プロットの選択された特徴が、最も極端な極小値を位置づけることにより決定される、共振マイクロ波周波数である、段落B13に記載の装置および方法。 B24. The apparatus and method of paragraph B13, wherein the selected feature of the plot is the resonant microwave frequency, determined by locating the most extreme local minimum.

B25.上記プロットの選択された特徴が、いくつかの形式、たとえば半値全幅(FWHM)、または変動係数(CV)で、共振反転ピークの幅を表す、段落23に記載の装置および方法。 B25. 24. The apparatus and method of paragraph 23, wherein selected features of the plot represent the width of the resonant inversion peak in some form, such as full width at half maximum (FWHM), or coefficient of variation (CV).

B26.分析物の濃度が、記載される方法:
a)上記分析物の既知の濃度を含む流体の複数の較正サンプルを調製することと、
b)任意選択で上記較正サンプル液の再循環を含む、上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に上記較正サンプルを方向付けること、および上記繋留されたSOMAmerに結合するために十分な機会を上記分析物に与えることと、
c)上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に上記洗浄液を方向付けることであって、上記洗浄液に、上記SOMAmerに非特異的な形式で結合する分子を除去するための十分な機会を与え、当該機会が、任意選択で上記洗浄液の再循環を含む、方向付けることと、
d)一連の励起光の矩形波のパルスpで上記窒素-空孔中心を照射することであって、上記光が、上記窒素-空孔中心の蛍光放射を誘導する周波数を含み、各パルスがそれぞれ、上記窒素-空孔中心の0スピン状態への完全な分極をもたらすために十分長い、照射すること、これらの上記記励起パルスp間の空間τをさらに変動させることと、
e)上記各励起パルスの起動の直後の蛍光強度、および上記各励起パルスの終わりに対し取られる、参照強度を測定することであって、上記参照強度が、スピン状態が0スピン状態に完全に偏極されるはずである場合に測定される、測定することと、
f)対応する上記参照強度で上記各励起パルスpの起動時の蛍光強度を除算することにより正規化された強度を計算することと、
g)パルスpの直前の間隔時間tに対する各パルスpの参照強度をプロットすることにより、各較正サンプルの応答プロットを作製することと、
h)式y=I*exp(-τ/T1)(式中yは、上記各パルスpの正規化した強度の集合からなる依存的な変数であり、独立した変数τは、上記パルスpのそれぞれに先行する間隔時間の集合である)の減衰する指数関数を適合することにより、上記較正サンプルそれぞれの緩和時間Tを見出すことと、
i)上記較正サンプル中の既知の分析物濃度対ステップ(h)由来の緩和時間Tの較正曲線を作成することと、
j)(g)でのようなプロットを作成するために較正サンプルの代わりに目的のサンプルを使用してステップ(b)~(h)を反復すること、およびステップ(h)でのように緩和時間を見出すことと、
k)ステップ(i)の較正曲線を適用して、目的のサンプルそれぞれの分析物の濃度を決定すること
に従い上記サンプル液中で測定される、段落B18に記載の装置。
B26. How the analyte concentration is described:
a) preparing a plurality of calibration samples of a fluid containing known concentrations of the analyte;
b) directing the calibration sample to a fluid-contacting surface of the diamond layer, optionally including recirculation of the calibration sample liquid, and providing sufficient opportunity for binding to the tethered SOMAmer for the analysis; giving things and
c) directing the cleaning solution onto the fluid-contacting surface of the diamond layer, giving the cleaning solution sufficient opportunity to remove molecules that bind in a non-specific manner to the SOMAmer; the opportunity to direct, optionally including recirculation of the cleaning fluid;
d) irradiating said nitrogen-vacancy center with a series of square-wave pulses p i of excitation light, said light comprising a frequency that induces fluorescence emission of said nitrogen-vacancy center, each pulse each of which is long enough to bring about complete polarization of the nitrogen-vacancy center to the zero spin state, further varying the spacing τ i between these excitation pulses p i ;
e) measuring the fluorescence intensity immediately after the activation of each of said excitation pulses and a reference intensity taken for the end of each of said excitation pulses, said reference intensity being such that the to be measured, to be measured if it should be polarized;
f) calculating a normalized intensity by dividing the starting fluorescence intensity of each excitation pulse p i by the corresponding reference intensity;
g) creating a response plot for each calibration sample by plotting the reference intensity of each pulse p i against the interval time t i immediately preceding pulse p i ;
h) Formula y=I 0 * exp (-τ/T1) (where y is a dependent variable consisting of a set of normalized intensities of each of the above pulses p i , and an independent variable τ is a finding the relaxation time T 1 of each of said calibration samples by fitting a decaying exponential function of p i ), which is the set of interval times preceding each of p i;
i) creating a calibration curve of known analyte concentration in said calibration sample versus relaxation time T 1 from step (h);
j) repeating steps (b) to (h) using the sample of interest instead of the calibration sample to produce a plot as in (g), and relaxing as in step (h); finding time and
k) Apparatus according to paragraph B18, measured in said sample liquid according to applying the calibration curve of step (i) to determine the concentration of the analyte of each sample of interest.

C.標的分子を検出するための装置であって、
流体と接触するように較正された表面と、
それぞれが標的分子に結合するように構成される、上記表面に付着される複数の捕捉試薬と、
上記表面の近位に位置する複数の色中心と、
上記捕捉試薬の1つへの標的分子の結合に応じた色中心の少なくとも1つの性質における変化を検出するように構成された少なくとも1つの検出器
を含む、装置。
C. A device for detecting a target molecule, the device comprising:
a surface calibrated to contact the fluid;
a plurality of capture reagents attached to the surface, each configured to bind a target molecule;
a plurality of color centers located proximal to the surface;
An apparatus comprising at least one detector configured to detect a change in at least one property of a color center in response to binding of a target molecule to one of the capture reagents.

C1.上記標的分子が、タンパク質であり、上記捕捉試薬が、アプタマーである、段落Cに記載の装置。 C1. The device according to paragraph C, wherein the target molecule is a protein and the capture reagent is an aptamer.

C2.上記アプタマーが、核酸分子である、段落C1に記載の装置。 C2. The device according to paragraph C1, wherein the aptamer is a nucleic acid molecule.

C3.上記核酸分子が、少なくとも1つの5位が修飾されたピリミジンを有する、段落C2に記載の装置。 C3. The apparatus of paragraph C2, wherein the nucleic acid molecule has at least one pyrimidine modified at the 5-position.

C4.上記表面が、ダイヤモンド結晶の表面であり、上記色中心が、上記ダイヤモンド結晶の窒素-空孔中心である、段落Cに記載の装置、 C4. The apparatus of paragraph C, wherein the surface is a surface of a diamond crystal, and the color center is a nitrogen-vacancy center of the diamond crystal;

C5.上記ダイヤモンド結晶が、単結晶ダイヤモンドである、段落C4に記載の装置。 C5. The apparatus according to paragraph C4, wherein the diamond crystal is single crystal diamond.

C6.第1の範囲の波長を有する放射線で窒素-空孔中心を照射するように構成された光源をさらに含み、上記検出器が、第2の範囲の波長を有する放射線を検出するように構成される、段落C4に記載の装置。 C6. further comprising a light source configured to illuminate the nitrogen-vacancy center with radiation having a wavelength in a first range, and the detector configured to detect radiation having a wavelength in a second range. , the apparatus according to paragraph C4.

C7.上記性質が、窒素-空孔中心の磁気共鳴に関連している、段落C4に記載の装置。 C7. Apparatus according to paragraph C4, wherein the property is related to nitrogen-vacancy centered magnetic resonance.

C8.窒素-空孔中心の電子の基底状態の下位レベルの共振周波数を含む範囲の周波数を有するマイクロ波の放射を提供するように構成されたマイクロ波供給源をさらに含む、段落C4に記載の装置。 C8. The apparatus of paragraph C4, further comprising a microwave source configured to provide microwave radiation having a frequency in a range that includes a resonant frequency below the ground state of a nitrogen-vacancy centered electron.

C9.捕捉試薬が、複数の捕捉種に属する試薬を含み、各捕捉種が、特定の標的種の標的分子に結合するように構成される、段落Cに記載の装置。 C9. The device of paragraph C, wherein the capture reagents include reagents belonging to multiple capture species, each capture species configured to bind to a target molecule of a particular target species.

C10.標的分子の濃度を測定するための装置であって、
少なくとも1つの色中心を含む結晶膜と、
上記結晶膜の表面に付着され、かつ上記標的分子に結合するように構成される複数の捕捉試薬と、
励起光で上記色中心を照射し、かつ上記色中心からの電磁放射線の放出を検出するように構成される検出器アセンブリ
を含む、装置。
C10. A device for measuring the concentration of a target molecule, the device comprising:
a crystalline film containing at least one color center;
a plurality of capture reagents attached to the surface of the crystalline membrane and configured to bind to the target molecules;
An apparatus comprising a detector assembly configured to illuminate the color center with excitation light and detect emission of electromagnetic radiation from the color center.

C11.上記捕捉試薬が、磁気スピンラベルを含み、上記色中心の磁場が、上記捕捉試薬の1つに対する標的分子の結合に応じて変化する、段落C10に記載の装置。 C11. The apparatus of paragraph C10, wherein the capture reagents include magnetic spin labels, and the magnetic field of the color center changes in response to binding of a target molecule to one of the capture reagents.

C12.上記検出器アセンブリが、第1の下位状態から第2の下位状態への色中心での基底状態の電子の変換を誘導できる周波数を有するマイクロ波の放射で上記色中心を照射するように構成される、段落C11に記載の装置。 C12. The detector assembly is configured to illuminate the color center with microwave radiation having a frequency capable of inducing conversion of ground state electrons at the color center from a first substate to a second substate. The apparatus according to paragraph C11.

C13.上記結晶膜が、ダイヤモンド膜であり、上記色中心が、窒素-空孔中心である、段落C10に記載の装置。 C13. The apparatus according to paragraph C10, wherein the crystalline film is a diamond film and the color center is a nitrogen-vacancy center.

C14.上記標的分子の1つに対する上記捕捉試薬のうちの1つの結合が、上記捕捉試薬のスピンラベルと上記色中心の間の相互作用を変化させることにより、上記色中心からの電磁放射線の放射における検出可能な変化をもたらす、段落C10に記載の装置。 C14. Detection in the emission of electromagnetic radiation from the color center by binding of one of the capture reagents to one of the target molecules changes the interaction between the spin label of the capture reagent and the color center. Apparatus according to paragraph C10, which brings about possible changes.

C15.標的分子を検出するための装置であって、
結晶基板の表面に付着され、かつサンプル液から標的分子を捕捉するように構成される、複数の捕捉試薬と、
上記捕捉試薬から固定距離で配置される複数の色中心であって、上記固定距離が、上記色中心の少なくとも1つの性質が、上記捕捉試薬の1つによる上記標的分子の1つの捕捉に応じて変化するために十分に小さい、複数の色中心と、
上記色中心の少なくとも1つの性質における変化を検出するように構成された検出器
を含む、装置。
C15. A device for detecting a target molecule, the device comprising:
a plurality of capture reagents attached to the surface of the crystal substrate and configured to capture target molecules from the sample liquid;
a plurality of color centers disposed at a fixed distance from said capture reagent, said fixed distance being such that at least one property of said color center is responsive to capture of one of said target molecules by one of said capture reagents; With multiple color centers small enough to vary,
An apparatus comprising a detector configured to detect a change in at least one property of the color center.

C16.上記捕捉試薬が、アプタマーである、段落C15に記載の装置。 C16. The device according to paragraph C15, wherein the capture reagent is an aptamer.

C17.上記捕捉試薬が、オリゴヌクレオチドである、段落C16に記載の装置。 C17. The device of paragraph C16, wherein the capture reagent is an oligonucleotide.

C18.上記捕捉試薬が、少なくとも5位が修飾されたピリミジンを有する核酸分子である、段落C16に記載の装置。 C18. The device of paragraph C16, wherein the capture reagent is a nucleic acid molecule having a modified pyrimidine at least at the 5-position.

C19.上記結晶基板が、ダイヤモンド膜であり、上記色中心が、窒素-空孔中心である、段落C18に記載の装置。 C19. The apparatus according to paragraph C18, wherein the crystal substrate is a diamond film and the color center is a nitrogen-vacancy center.

D0.サンプル液中の標的分子を検出するための方法であって、
サンプル液と、表面に付着されかつ標的分子に結合するように構成された捕捉試薬を接触させることと、
上記表面の近位に配置された上記色中心を、上記色中心による蛍光放射を誘導するように構成された励起光で照射することと、
1つ以上の検出器を使用して上記蛍光放射の強度を測定することと、
上記捕捉試薬に対する上記標的分子の結合に応じた上記蛍光放射の強度における変化を検出すること
を含む、方法。
D0. A method for detecting a target molecule in a sample liquid, the method comprising:
contacting the sample liquid with a capture reagent attached to the surface and configured to bind to the target molecule;
irradiating the color center located proximal to the surface with excitation light configured to induce fluorescence emission by the color center;
measuring the intensity of said fluorescent radiation using one or more detectors;
A method comprising detecting a change in the intensity of said fluorescent emission in response to binding of said target molecule to said capture reagent.

D1.第1の下位状態から第2の下位状態への色中心での基底状態の電子の変換を誘導できる周波数のマイクロ波の放射で上記色中心を放射することをさらに含み、
上記捕捉試薬に対する上記標的分子の結合に応じた上記蛍光放射の強度における変化を検出することが、上記蛍光放射の測定された強度と上記マイクロ波の放射の周波数の間の関係に基づき上記色中心の共振挙動を同定することを含む、
D0に記載の方法。
D1. further comprising irradiating the color center with microwave radiation at a frequency capable of inducing conversion of ground state electrons at the color center from a first substate to a second substate;
detecting a change in the intensity of the fluorescent radiation in response to binding of the target molecule to the capture reagent at the color center based on the relationship between the measured intensity of the fluorescent radiation and the frequency of the microwave radiation; identifying the resonant behavior of the
The method described in D0.

D2.上記標的分子が、タンパク質である、段落D0またはD1に記載の方法。 D2. The method according to paragraph D0 or D1, wherein the target molecule is a protein.

D3.上記捕捉試薬が、アプタマーである、段落D0~D2のいずれか1項に記載の方法。 D3. The method according to any one of paragraphs D0-D2, wherein the capture reagent is an aptamer.

D4.上記捕捉試薬が、少なくとも5位が修飾されたピリミジンを有する核酸分子である、段落D0~D3のいずれか1項に記載の方法。 D4. The method of any one of paragraphs D0-D3, wherein the capture reagent is a nucleic acid molecule having a pyrimidine modified at least at the 5-position.

D5.上記表面が、ダイヤモンド結晶の表面であり、上記色中心が、上記ダイヤモンド結晶の窒素-空孔中心である、段落D0~D4のいずれか1項に記載の方法。 D5. The method according to any one of paragraphs D0 to D4, wherein the surface is a surface of a diamond crystal, and the color center is a nitrogen-vacancy center of the diamond crystal.

D6.上記捕捉試薬が、少なくとも1つの第1の5位が修飾されたピリミジンおよび少なくとも1つの第2の5位が修飾されたピリミジンを含むアプタマーであり、上記第1の5位が修飾されたピリミジンおよび上記第2の5位が修飾されたピリミジンが、異なる5位が修飾されたピリミジンであり、
上記第1の5位が修飾されたピリミジンが、5位が修飾されたウリジンであり、かつ
上記第2の5位が修飾されたピリミジンが、5位が修飾されたシチジンであり、または
上記第1の5位が修飾されたピリミジンが、5位が修飾されたシチジンであり、かつ
上記第2の5位が修飾されたピリミジンが、5位が修飾されたウリジンである、
段落D0~D5のいずれか1項に記載の方法。
D6. The capture reagent is an aptamer comprising at least one first pyrimidine modified at the 5-position and at least one second pyrimidine modified at the 5-position, the first pyrimidine modified at the 5-position and The second pyrimidine modified at the 5-position is a pyrimidine modified at a different 5-position,
The first pyrimidine modified at the 5-position is uridine modified at the 5-position, and the second pyrimidine modified at the 5-position is a cytidine modified at the 5-position, or 1, the pyrimidine modified at the 5-position is cytidine modified at the 5-position, and the second pyrimidine modified at the 5-position is uridine modified at the 5-position,
The method according to any one of paragraphs D0 to D5.

E0.標的分子の濃度を測定するための方法であって、
結晶膜の表面に流体を曝露させて、上記表面に付着されている捕捉試薬を、上記流体内の標的分子に結合させることと、
上記結晶膜内の少なくとも1つの色中心により蛍光放射を誘導するように構成された励起光で上記膜を照射することと、
上記蛍光放射に基づき、上記標的分子と上記捕捉試薬の間の結合に応じた色中心の性質における変化を検出することと、
検出された変化に基づき、上記流体内の標的分子の濃度を決定すること
を含む、方法。
E0. A method for measuring the concentration of a target molecule, the method comprising:
exposing a fluid to a surface of the crystalline membrane to cause a capture reagent attached to the surface to bind to a target molecule within the fluid;
irradiating the film with excitation light configured to induce fluorescence emission by at least one color center in the crystalline film;
detecting, based on the fluorescence emission, a change in the properties of a color center in response to binding between the target molecule and the capture reagent;
A method comprising determining a concentration of a target molecule in the fluid based on the detected change.

E1.上記標的分子が、タンパク質である、段落E0に記載の方法。 E1. The method according to paragraph E0, wherein the target molecule is a protein.

E2.上記捕捉試薬が、磁気スピンラベルを含み、上記少なくとも1つの色中心の磁場が、上記標的分子と上記捕捉試薬の間の結合に応じて変化する、段落E1またはE2に記載の方法。 E2. The method of paragraph E1 or E2, wherein the capture reagent comprises a magnetic spin label and the magnetic field of the at least one color center changes in response to binding between the target molecule and the capture reagent.

E3.上記励起光で膜を照射することが、第1の下位状態から第2の下位状態への上記色中心での基底状態の電子の変換を誘導できる周波数を有するマイクロ波の放射で上記色中心を照射することを含む、段落E0~E2のいずれか1項に記載の方法。 E3. Irradiating the membrane with the excitation light stimulates the color center with microwave radiation having a frequency capable of inducing a conversion of ground state electrons at the color center from a first substate to a second substate. The method of any one of paragraphs E0-E2, comprising irradiating.

E4.上記色中心が、窒素空孔中心である、段落E0~E3のいずれか1項に記載の方法。 E4. The method according to any one of paragraphs E0 to E3, wherein the color center is a nitrogen vacancy center.

E5.上記結晶膜が、ダイヤモンド膜である、段落E0~E4のいずれか1項に記載の方法。 E5. The method according to any one of paragraphs E0 to E4, wherein the crystalline film is a diamond film.

F0.標的分子を検出するための方法であって、
結晶基板を、上記結晶基板の表面に付着される複数の捕捉試薬がサンプル液内の標的分子に結合するように、上記サンプル液に曝露させることと、
上記捕捉試薬に対する上記標的分子の結合に応じた上記結晶基板内の1つ以上の色中心の性質における変化を同定すること
を含む、方法。
F0. A method for detecting a target molecule, the method comprising:
exposing a crystalline substrate to the sample liquid such that a plurality of capture reagents attached to the surface of the crystalline substrate bind to target molecules in the sample liquid;
A method comprising identifying a change in the properties of one or more color centers within the crystalline substrate in response to binding of the target molecule to the capture reagent.

F1.上記結晶基板が、ダイヤモンド膜であり、上記色中心が、上記ダイヤモンド膜内の窒素-空孔中心である、段落F0に記載の方法。 F1. The method of paragraph F0, wherein the crystal substrate is a diamond film, and the color center is a nitrogen-vacancy center within the diamond film.

F2.上記結晶基板を電磁放射線で照射することをさらに含み、1つ以上の色中心の性質における変化を同定することが、上記色中心により放出される蛍光放射線を検出することを含む、段落F0またはF1に記載の方法。 F2. Paragraph F0 or F1 further comprising irradiating the crystalline substrate with electromagnetic radiation, and identifying a change in the properties of one or more color centers comprises detecting fluorescent radiation emitted by the color center. The method described in.

F3.上記捕捉試薬が、少なくとも2つの明らかに異なる5位が修飾されたピリミジンを含むアプタマーである、段落F0~F2のいずれか1項に記載の方法。 F3. The method of any one of paragraphs F0-F2, wherein the capture reagent is an aptamer comprising at least two distinctly different 5-position modified pyrimidines.

F4.上記標的分子が、タンパク質である、段落F0~F3のいずれか1項に記載の方法。 F4. The method according to any one of paragraphs F0 to F3, wherein the target molecule is a protein.

G0.サンプル液中のタンパク質分子の存在を検出するための装置を製造するための方法であって、
結晶膜を製作することと、
上記結晶膜内に複数の置換原子を埋め込むことと、
上記結晶膜内に複数の空孔を作製することと、
少なくともいくつかの置換原子を少なくともいくつかの空孔と共に配置することにより、上記結晶膜内に色中心を作製することと、
上記結晶膜の第1の表面に複数の捕捉試薬を付着させることと、
上記結晶膜の第2の表面に光検出器の層を付着させること
を含む、方法。
G0. A method for manufacturing a device for detecting the presence of protein molecules in a sample liquid, the method comprising:
producing a crystalline film;
embedding a plurality of replacement atoms in the crystal film;
Creating a plurality of pores in the crystal film;
creating color centers in the crystalline film by arranging at least some substitution atoms with at least some vacancies;
attaching a plurality of capture reagents to the first surface of the crystalline film;
A method comprising depositing a layer of photodetector on a second surface of the crystalline film.

G1.上記結晶膜が、化学蒸着を使用して製作される、段落G0に記載の方法。 G1. The method of paragraph G0, wherein the crystalline film is fabricated using chemical vapor deposition.

G2.上記空孔が、電子ビームを使用して作製される、段落G0またはG1に記載の方法。 G2. The method according to paragraph G0 or G1, wherein the holes are created using an electron beam.

G3.上記置換原子が、高温で上記結晶膜を焼きなますことにより上記空孔と共に配置される、段落G0~G2のいずれか1項に記載の方法。 G3. The method of any one of paragraphs G0-G2, wherein the substitution atoms are placed with the vacancies by annealing the crystalline film at high temperatures.

G4.上記光検出器の層を付着させることが、リソグラフィーを使用して上記光検出器の層を製作することと、光学的に透明な接着剤を使用して上記結晶膜の第2の表面に上記光検出器の層を接着させることを含む、段落G0~G3のいずれか1項に記載の方法。 G4. Depositing the photodetector layer includes fabricating the photodetector layer using lithography and attaching the photodetector layer to the second surface of the crystalline film using an optically transparent adhesive. The method of any one of paragraphs G0-G3, comprising adhering the layers of the photodetector.

Claims (20)

サンプル液中のラベルフリーの標的分子の濃度を測定する方法であって、
基板の表面に付着した複数の捕捉試薬が前記サンプル液と接触するように、前記基板を前記サンプル液に曝露する工程であって、ここで前記複数の捕捉試薬は、第1のラベルフリー分子に結合するように構成された第1の捕捉試薬と、前記第1のラベルフリー分子とは異なる第2のラベルフリー分子に結合するように構成された第2の捕捉試薬とを含む、前記曝露する工程と、
前記基板内の少なくとも1つの色中心からの電磁放射線の放出に基づき前記第1のラベルフリー分子と前記第1の捕捉試薬との間の結合に応答した前記少なくとも1つの色中心の性質の変化を検出する工程と、
検出された前記変化に基づき、前記サンプル液中の前記第1のラベルフリー分子の濃度を測定する工程と、
を含む、方法。
A method for measuring the concentration of a label-free target molecule in a sample liquid, the method comprising:
exposing the substrate to the sample liquid such that a plurality of capture reagents attached to the surface of the substrate contact the sample liquid, wherein the plurality of capture reagents contact the first label-free molecule; a first capture reagent configured to bind and a second capture reagent configured to bind a second label-free molecule different from the first label-free molecule; process and
a change in the properties of the at least one color center in response to binding between the first label-free molecule and the first capture reagent based on the emission of electromagnetic radiation from the at least one color center in the substrate; a step of detecting;
Measuring the concentration of the first label-free molecule in the sample liquid based on the detected change;
including methods.
前記第1および第2のラベルフリー分子がタンパク質であり、前記第1および第2の捕捉試薬がアプタマーである、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the first and second label-free molecules are proteins and the first and second capture reagents are aptamers. 各アプタマーが、それぞれ少なくとも1つの5位が修飾されたピリミジンを有する、請求項2に記載の方法。 3. The method of claim 2, wherein each aptamer has at least one pyrimidine modified at the 5-position. 前記基板が、ダイヤモンド結晶を含み、前記少なくとも1つの色中心が、前記ダイヤモンド結晶の窒素-空孔中心である、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the substrate comprises a diamond crystal and the at least one color center is a nitrogen-vacancy center of the diamond crystal. 前記性質が、前記色中心の磁気共鳴に関連する、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the property is related to magnetic resonance of the color center. 電磁放射線の放出を誘導するように構成された第1の波長範囲を有する放射線で前記少なくとも1つの色中心を照射する工程を更に含む方法であって、前記放出された電磁放射線は、前記第1の波長範囲と同一ではない第2の波長範囲を有する、請求項1に記載の方法。 The method further comprises irradiating the at least one color center with radiation having a first wavelength range configured to induce the emission of electromagnetic radiation, the emitted electromagnetic radiation 2. The method of claim 1, wherein the second wavelength range is not identical to the wavelength range of the second wavelength range. 前記少なくとも1つの色中心の電子の基底状態の下位レベルの共振周波数を含む周波数範囲を有するマイクロ波の放射で前記少なくとも1つの色中心を照射する工程を更に含む、請求項6に記載の方法。 7. The method of claim 6, further comprising irradiating the at least one color center with microwave radiation having a frequency range that includes a resonant frequency below a ground state of an electron of the at least one color center. 前記第1の捕捉試薬が、それぞれ磁気スピンラベルを含む、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein each of the first capture reagents comprises a magnetic spin label. 前記表面は、それぞれが前記第1の捕捉試薬を1つしか含まない別の領域のアレイを含み、前記少なくとも1つの色中心は、前記第1の捕捉試薬の1つとそれぞれ関連する複数の色中心を含む、請求項1に記載の方法。 The surface includes an array of separate regions each containing only one of the first capture reagents, and the at least one color center includes a plurality of color centers each associated with one of the first capture reagents. 2. The method of claim 1, comprising: サンプル液中のラベルフリーの標的分析物を検出する方法であって、
表面に付着した少なくとも2つの捕捉試薬をサンプル液に曝露する工程であって、ここで各捕捉試薬はそれぞれ異なるラベルフリーの標的分析物に結合するように構成され、前記表面は複数の色中心に近接して配置される、前記曝露する工程と、
異なるラベルフリーの標的分析物の1つが対応する捕捉試薬の1つに結合することに応答して、複数の色中心のうちの第1の色中心の性質の変化を検出する工程と、
を含む、方法。
A method for detecting a label-free target analyte in a sample liquid, the method comprising:
exposing at least two capture reagents attached to a surface to a sample liquid, each capture reagent configured to bind a different label-free target analyte, the surface having a plurality of colored centers; the exposing step being arranged in close proximity;
detecting a change in the properties of a first of the plurality of color centers in response to binding of one of the different label-free target analytes to one of the corresponding capture reagents;
including methods.
前記変化を検出する工程は、前記第1の色中心からの電磁放射線の放射を光検出器によって検出することを含む、請求項10に記載の方法。 11. The method of claim 10, wherein detecting the change includes detecting the emission of electromagnetic radiation from the first color center with a photodetector. 前記光検出器は、前記複数の色中心のうちの前記第1の色中心のみからの放出を検出するように構成される、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein the photodetector is configured to detect emission from only the first color center of the plurality of color centers. 前記捕捉試薬がアプタマーである、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein the capture reagent is an aptamer. 前記アプタマーがそれぞれ磁気スピンラベルを含む、請求項13に記載の方法。 14. The method of claim 13, wherein each of the aptamers comprises a magnetic spin label. ラベルフリーの標的分子を検出する方法であって、
表面に付着した複数の捕捉試薬のうちの第1の捕捉試薬によってサンプル液から第1のラベルフリーの標的分子を捕捉する工程であって、ここで前記第1の捕捉試薬は前記第1のラベルフリーの標的分子に結合するように構成された第1の種に属し、前記複数の捕捉試薬は、第2のラベルフリーの標的分子に結合するように構成された第2の種に属する第2の捕捉試薬を更に含む、前記捕捉する工程と、
前記表面に隣接して配置された色中心からの第1の電磁放射線の放出に基づいて、前記第1の捕捉試薬による前記第1のラベルフリーの標的分子の捕捉を検出する工程と、
を含む、方法。
A method for detecting a label-free target molecule, the method comprising:
capturing a first label-free target molecule from a sample liquid by a first capture reagent of a plurality of capture reagents attached to a surface, wherein the first capture reagent is attached to the first label. The plurality of capture reagents belong to a first species configured to bind a free target molecule, and the plurality of capture reagents belong to a second species configured to bind a second label-free target molecule. said capturing step further comprising a capture reagent of;
detecting capture of the first label-free target molecule by the first capture reagent based on the emission of a first electromagnetic radiation from a color center located adjacent to the surface;
including methods.
前記第1および第2のラベルフリー分子がタンパク質であり、前記第1および第2の捕捉試薬がアプタマーである、請求項15に記載の方法。 16. The method of claim 15, wherein the first and second label-free molecules are proteins and the first and second capture reagents are aptamers. 前記第1の捕捉試薬が、5位が修飾されたピリミジン塩基を有する、請求項16に記載の方法。 17. The method of claim 16, wherein the first capture reagent has a modified pyrimidine base at the 5-position. 第2の電磁放射線によって前記色中心を励起することにより、前記色中心からの第1の電磁放射線の放出を引き起こす工程を更に含む、請求項15に記載の方法。 16. The method of claim 15, further comprising exciting the color center with a second electromagnetic radiation causing emission of first electromagnetic radiation from the color center. 第1のラベルフリーの標的分子の捕捉を検出する工程が、光検出器によって第1の電磁放射を検出することを含む、請求項15に記載の方法。 16. The method of claim 15, wherein detecting capture of the first label-free target molecule comprises detecting the first electromagnetic radiation with a photodetector. 前記第1の捕捉試薬が磁気スピンラベルを含む、請求項15に記載の方法。 16. The method of claim 15, wherein the first capture reagent comprises a magnetic spin label.
JP2023017693A 2018-03-09 2023-02-08 Proteomic assay using quantum sensors Active JP7407987B2 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/917,524 2018-03-09
US15/917,524 US10481155B2 (en) 2018-03-09 2018-03-09 Proteomic assay using quantum sensors
JP2020571335A JP6932861B2 (en) 2018-03-09 2019-03-08 Proteome assay using quantum sensor
JP2021133267A JP7225332B2 (en) 2018-03-09 2021-08-18 Proteomic assays using quantum sensors

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021133267A Division JP7225332B2 (en) 2018-03-09 2021-08-18 Proteomic assays using quantum sensors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023071681A JP2023071681A (en) 2023-05-23
JP7407987B2 true JP7407987B2 (en) 2024-01-04

Family

ID=67843823

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020571335A Active JP6932861B2 (en) 2018-03-09 2019-03-08 Proteome assay using quantum sensor
JP2021133267A Active JP7225332B2 (en) 2018-03-09 2021-08-18 Proteomic assays using quantum sensors
JP2023017693A Active JP7407987B2 (en) 2018-03-09 2023-02-08 Proteomic assay using quantum sensors

Family Applications Before (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020571335A Active JP6932861B2 (en) 2018-03-09 2019-03-08 Proteome assay using quantum sensor
JP2021133267A Active JP7225332B2 (en) 2018-03-09 2021-08-18 Proteomic assays using quantum sensors

Country Status (9)

Country Link
US (4) US10481155B2 (en)
EP (1) EP3762722A4 (en)
JP (3) JP6932861B2 (en)
KR (2) KR102438296B1 (en)
CN (2) CN115097139A (en)
AU (2) AU2019230219B2 (en)
CA (1) CA3092959A1 (en)
SG (1) SG11202008450TA (en)
WO (1) WO2019173743A1 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11619660B2 (en) * 2018-02-14 2023-04-04 The University Of Chicago Electrometry by optical charge conversion of defects in the solid-state
US10481155B2 (en) * 2018-03-09 2019-11-19 Somalogic, Inc. Proteomic assay using quantum sensors
WO2020028976A1 (en) * 2018-08-09 2020-02-13 Socpra Sciences Et Genie S.E.C. System and method for sensing spin
US11313817B2 (en) * 2018-08-27 2022-04-26 Unm Rainforest Innovations Optical nuclear magnetic resonance microscope and measurement methods
WO2021102593A1 (en) * 2019-11-29 2021-06-03 Pontificia Universidad Catolica De Chile System and method for determining and quantifying the concentration of an analyte, which comprises an optically active diamond-based sensor, a chamber accommodating the sensor, and means for inserting a sample; and use of said sensor
DE102021101575A1 (en) * 2020-01-30 2021-08-05 Elmos Semiconductor Se Process for the production of an optical system with NV centers by means of optically transparent film structures
US11531073B2 (en) * 2020-12-31 2022-12-20 X Development Llc Fiber-coupled spin defect magnetometry
JPWO2022270520A1 (en) * 2021-06-23 2022-12-29
WO2023288108A1 (en) * 2021-07-16 2023-01-19 The University Of Chicago Biocompatible surface for quantum sensing and methods thereof
WO2023064633A1 (en) * 2021-10-15 2023-04-20 Columbus Nanoworks, Inc. Diamond magnetometry detection of biological targets
DE102021212841A1 (en) 2021-11-16 2023-05-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method, computer program product and system for sequencing a prepared DNA strand and sensor unit
WO2023136015A1 (en) * 2022-01-17 2023-07-20 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 Physical quantity detecting device, physical quantity detecting method, and physical quantity detecting program
CN114778589B (en) * 2022-06-23 2022-09-30 中国科学技术大学 Longitudinal relaxation rate measuring system and measuring method using same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005512022A (en) 2001-07-18 2005-04-28 ミクロナス ゲーエムベーハー Biosensor and method for detecting an analyte using time-resolved luminescence
JP2010533499A (en) 2007-07-17 2010-10-28 ソマロジック・インコーポレーテッド Method for generating aptamers with improved off-rate
US20110062957A1 (en) 2009-09-11 2011-03-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optically integrated biosensor based on optically detected magnetic resonance
JP2014095025A (en) 2012-11-08 2014-05-22 Osaka Univ Diamond composite particles
JP2016205954A (en) 2015-04-21 2016-12-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Magnetic measuring device

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5270163A (en) 1990-06-11 1993-12-14 University Research Corporation Methods for identifying nucleic acid ligands
ES2259800T3 (en) 1990-06-11 2006-10-16 Gilead Sciences, Inc. PROCEDURES FOR THE USE OF NUCLEIC ACID LINKS.
US6242246B1 (en) 1997-12-15 2001-06-05 Somalogic, Inc. Nucleic acid ligand diagnostic Biochip
US7536428B2 (en) 2006-06-23 2009-05-19 Microsoft Corporation Concurrent read and write access to a linked list where write process updates the linked list by swapping updated version of the linked list with internal list
US7964356B2 (en) 2007-01-16 2011-06-21 Somalogic, Inc. Method for generating aptamers with improved off-rates
US7947447B2 (en) * 2007-01-16 2011-05-24 Somalogic, Inc. Method for generating aptamers with improved off-rates
GB201015260D0 (en) * 2010-09-14 2010-10-27 Element Six Ltd A microfluidic cell and a spin resonance device for use therewith
US9465035B2 (en) * 2012-10-12 2016-10-11 Japan Science And Technology Agency Nanodiamond particle and method of manufacturing the same, and fluorescent molecular probe and method of analyzing structure of protein
US9486163B2 (en) 2014-02-21 2016-11-08 Verily Life Sciences Llc Silicon-vacancy-doped nanodiamonds for molecular and cellular imaging
US9759719B1 (en) * 2014-07-21 2017-09-12 Verily Life Sciences Llc Nanodiamond counting
WO2017127081A1 (en) 2016-01-21 2017-07-27 Lockheed Martin Corporation Diamond nitrogen vacancy sensor with circuitry on diamond
US10481155B2 (en) * 2018-03-09 2019-11-19 Somalogic, Inc. Proteomic assay using quantum sensors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005512022A (en) 2001-07-18 2005-04-28 ミクロナス ゲーエムベーハー Biosensor and method for detecting an analyte using time-resolved luminescence
JP2010533499A (en) 2007-07-17 2010-10-28 ソマロジック・インコーポレーテッド Method for generating aptamers with improved off-rate
US20110062957A1 (en) 2009-09-11 2011-03-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optically integrated biosensor based on optically detected magnetic resonance
JP2014095025A (en) 2012-11-08 2014-05-22 Osaka Univ Diamond composite particles
JP2016205954A (en) 2015-04-21 2016-12-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Magnetic measuring device

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210032016A (en) 2021-03-23
CN112105929B (en) 2022-05-10
JP2021510837A (en) 2021-04-30
KR20200118227A (en) 2020-10-14
AU2021202190A1 (en) 2021-05-06
US11698373B2 (en) 2023-07-11
JP2023071681A (en) 2023-05-23
JP2021193377A (en) 2021-12-23
US20200081001A1 (en) 2020-03-12
KR102438296B1 (en) 2022-08-31
CN112105929A (en) 2020-12-18
AU2021202190B2 (en) 2024-03-14
EP3762722A1 (en) 2021-01-13
US10481155B2 (en) 2019-11-19
WO2019173743A1 (en) 2019-09-12
CA3092959A1 (en) 2019-09-12
AU2019230219B2 (en) 2021-01-14
KR102230209B1 (en) 2021-03-22
AU2019230219A1 (en) 2020-10-15
US20190277842A1 (en) 2019-09-12
EP3762722A4 (en) 2021-11-03
CN115097139A (en) 2022-09-23
US11249080B2 (en) 2022-02-15
JP6932861B2 (en) 2021-09-08
US20220170927A1 (en) 2022-06-02
SG11202008450TA (en) 2020-09-29
US20230349896A1 (en) 2023-11-02
JP7225332B2 (en) 2023-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7407987B2 (en) Proteomic assay using quantum sensors
US10914800B2 (en) Magnetic resonance spectrometer
US7989220B2 (en) Metal-enhanced fluorescence for polarization-based affinity assays
US11313817B2 (en) Optical nuclear magnetic resonance microscope and measurement methods
US11480541B2 (en) Optical imaging of single molecule size, charge, mobility, binding and conformational change
US20120258553A1 (en) Analyte measurement apparatus and method
KR20020071848A (en) Addressable arrays using morphology dependent resonance for analyte detection
JP6220878B2 (en) Method and apparatus for quantitative LIBS measurement of biomolecular targets on a biochip
AU2022335155A1 (en) Determining properties of samples using quantum sensing
US20230151419A1 (en) Method, Computer Program Product and System for Sequencing a Prepared DNA Strand and a Sensor Unit
Miller Business: 900-MHz NMR is here
Singh Unique spatiotemporal biomolecular emission profiles on single zinc oxide nanorods and applications in ultrasensitive biosensing
Smith Meeting News: Varian “bears” it all at Pittcon.
Smith Meeting News: Richard Kniss calls it quits.
Handley et al. Meeting News: Blood-based prion test.
Kling Research Profiles: Profiling enzymes to diagnose genetic disease

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230208

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231024

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20231121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231219

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7407987

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150